某高层建筑设计分析

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某高层设计分析
摘要：近年来，随着高层建筑高速发展，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。文章主要通过笔者的工作总结，针对某高层住宅的转换结构设计、结构计算及结构构件几方面的设计要点进行了分析。

关键词：高层建筑；框支剪力墙；侧向刚度；抗震构造
1.工程概况
某高层建筑，由7 栋32 层住宅楼组成。地下室 3 层，为车库及设备用房；首层架空，层高为 6.3m；2 层以上为住宅，层高为3m 本工程设计使用年限为 50 年，安全等级为二级，建筑物抗震类别丙类；基本风压为 0.70 kN/m2(50年-遇)，100 年-遇风压为0.77 kN/m2；地面粗糙度为 B 类；建筑场地为Ⅱ类，地震设防烈度：7度，计基本地震加速度为0.10g，地基基础设计等级为甲级。为满足建筑的使用功能及立面要求，结构于二层设置了梁板式结构转换层，除电梯和楼梯剪力墙直接落地及适当位置布置剪力墙外，其余剪力墙由转换梁托换，以框支柱支承。
2.结构设计与布置
2.1 抗震等级的确定
本工程为7度抗震设防，转换层以上非底部加强部位剪力墙及底部加强部位剪力墙抗等级按-级，转换层以下的框支框架按特-级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 ( JGJ3－2010)中第4.3.1条的规定，丙类建筑应符合本地区抗震设防烈度要求。
2.2 转换层结构布置
目前结构转换层的做法有：厚板转换层、桁架转换、巨型梁转换等结构转换型式，在工程实践中，以转换梁的型式最常见，它设计和施工简单，受力明确，广泛应用于底层大空间剪力墙结构中，本工程经通过比较采用了巨型梁转换层结构型式，它是用大梁将上部剪力墙托住，托梁由框支柱支承。
由于建筑物周边地形原因，3层地下室有-个侧面不是全部埋在地面以下，所以偏于安全的考虑建筑物的计算高度，从地下室负3层的地面标高算起，建筑主体高度为111.6m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2010)中第3.3.1条中规定，本工程已经属于B 级高度〖虑到型钢混凝土结构具有更大的结构承载能力及良好的结构延性，变形能力和耗能能力较强，可以有效地控制结构转换层的刚度突变，为减小转换层下部附近层的层间位移起到了较显著的作用，所以本设计底部框支梁与框支柱决定采用型钢混凝土结构。作为解决超限问题的-种措施，是本设计的重要组成部分。底部框支柱的钢骨采用实腹式十字型钢，框支梁的钢骨采用工字型钢同时在转换层以下，通过加厚落地核心筒的墙体厚度（核心筒外壁厚度600mm）以及提高框支层墙柱的混凝土强度等级，同时在建筑的左右两翼增设两道落地剪力墙，使抗侧力结构的侧向刚度和承载力不会产生太大的突变底层剪力墙截面尺寸的确定：除满足竖向承载力作用下轴压比限值外，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3－2010)中第E.0.1条的规定，当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1表示转换层上、下层结构刚度的变化，γe1可按下列公式计算：γe1G1 A1/ (G2 A2)×h2/ h1，式中G1、G2为转换层和转换层上层的混凝土剪变模量，A1、A2为转换层和转换层上层的折算抗剪截面面积，h2、h1为转换层和转换层上层层高，调整底层剪力墙的厚度，γe1宜接近1，非抗震设计时γe1不应小于0.4，抗震设计时γe1不应小于0.5。本工程经按上述方法计算调整，底层剪力墙厚度为600mm。
2.3 标准层结构布置
标准层墙柱布置时尽量使结构的刚度中心与质量中心重合，以减少地震作用下的扭转效应，因此把剪力墙均匀布置在建筑物的周边平面形状变化尤其凹凸较大时，在凸出部分的端部附近布置剪力墙，同时增强边角部位剪力墙的刚度，加大平面远端刚度结合楼梯间及电梯间布置筒形剪力墙，用来结构控制位移，提高抗震性能。并且在布置剪力墙时纵横剪力墙尽量组成 L 形 T 形，在纵横两个主轴方向上使剪力墙刚度基本上-致。在设计过程中，与建筑专业紧密配合，尽量使上部墙体直接落在框支柱或框架转换梁上，而不随便采用次梁转换标准层结构的竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小，混凝土强度等级由C45 渐变至C30 剪力墙厚度由300mm渐变至200mm。
标准层住宅在外围剪力墙局部开设角窗，削弱了剪力墙结构体系的整体性，针对这-不利因素，在角窗处设置了1200mm高的梁(上翻600mm)，以提高在地震作用下的结构的整体抗扭能力。标准层的核心筒位于平面中心，电梯间开洞使楼面有较大的削弱，结构设计时将核心筒内楼板板厚加厚至150mm，并采取双层双向配筋，以加强其刚度。
3.结构计算及结果分析
本工程采用中国建筑科学研究院 PKPM 系列 SATWE 软件计算分析，以GSCAD软件作对比分析两者总体计算结果比较接近，但是墙体的局部内力及配筋存在差异。由于SATWE 的墙元模型假设更符合实际情况，因此以 SATWE的计算结构为施工图的主要设计依据
3.1 振型及周期
本工程计算振型数为24个，计算结果显示抗震计算时的振型参与质量与总质量之比为: X向为96. 05%，Y向为96. 01%；可见计算时采用的振型数是足够的计算基本周期及扭转因子，空间振型的周期: T12.82( Y 方向平动系数1.0；T22. 49；X 向平动系数0.98)；T32.18（扭转系数0.98）根据大量工程实例的统计，正常情况下框架剪力墙结构的第-自振周期大概范围为：T1（0.08～0.12)n（n为建筑物的层数），本工程第-振型的周期约为0.09n 属于在正常范围之内按刚性楼板假定进行结构整体计算时，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，结构扭转为主的第-自振周期Tt与平动为主的第-自振周期 T1 之比，B 级高度高层建筑不应大于0.85 本工程扭转周期比Tt1/T1 0.773，满足规范要求结构的水平位移在规范的允许范围之内，结构的刚度合理。
本工程存在着-定的扭转不规则，即在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比超过 1.2倍，但是其比值较小（＜1.31），特别是塔楼部分普遍都小于1.25，最大值都在裙楼。这是由于裙楼处的水平刚度较大，其平均层位移很小，但是由于裙楼质心到端部尺寸很大，尽管扭转角很小也容易造成扭转不规则指标超限，考虑到裙楼的层间位移绝对值都很小，层间位移角值比规范限基本小-倍以上，因此，对于整个结构的影响是比较小的。
3.2 转换层刚度比
刚度比计算选用剪切刚度参数计算，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比为: X 方向γ1.198，Y方向γ1.182，转换层上下层侧向刚度比较小；转换层上下层的层间位移角比较接近，在转换层处还是实现了侧向刚度渐变的要求的。
3.3 动力时程分析
本工程采用SATWE 程序进行动力时程分析，对结构进行了补充设计。波形采用mmw－3、lan3－3，lan5－3 以层间剪力和层间变形为主要控制指标。与振型分解法结果相比，大部分楼层墙。梁配筋基本-致，说明整个结构的刚度设计合理。设计中对薄弱楼层的配筋采取了加强措施。
4.结束语
综上所述，在高层建筑转换层的结构设计时，既要旧能地满足建筑的使用功能的要求，又要使结构体系更加合理，应从建筑功能、结构受力、设备使用、经济合理等多方面入手进行结构的选型和柱网布置，从而满足建筑结构合理的使用要求。