高層結構設計實例探析

曾李生

摘要：本文通過結合工程設計實例，針對目前高層結構設計特點，從結構體系的選擇、結構構件設計等方面進行論述，計算分析表明所采取的結構設計措施均符合規范要求，為同行提供高層結構設計的處理方法和思路，以供設計參考。

關鍵詞：高層結構；結構設計；結構布置；計算分析

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

項目概況

本工程使用功能為商業及住宅，房屋高度地上99.95米，地下17.25米。最大建筑層數地上28層，地下4層。設3條抗震縫將整個建筑分為4個獨立的結構單元，分別為1號，2號，3號，4號樓。1~3號樓為部分框支剪力墻結構，4號樓為框架結構。建筑主體結構設計使用年限為50年。本地區基本風壓為0.45kN/m2；本地區抗震設防烈度為6度。

上部及地下室結構設計

2.1結構布置設計

本工程在各塔樓周圍設置抗震縫將整個建筑分為4個獨立的結構單元，分別為1號，2號，3號，4號樓。各單元結構選型與結構布置采取如下 1~3號樓為部分框支剪力墻結構，轉換層位于第7層，上部塔樓為矩形規則平面。結構轉換層為薄弱層，在設計中，采用加厚薄弱層板厚并采用整體現澆、提高轉換層梁柱混凝土等級、加強轉換層板配筋、加厚落地剪力墻截面等措施對薄弱層進行加強。4號樓為框架結構，結構平面為矩形規則平面，豎向構件均連續落地。

在對本工程的4棟建筑采取結構設計時，充分利用到抗震概念設計理念。采取的抗震概念設計如下，根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中概念設計的要求，本工程建筑平面布置較規則，本工程1~3號樓為豎向不規則，設計中采用加強轉換層（加厚轉換層板并采用整體現澆、提高轉換層梁柱混凝土等級、加強轉換層板配筋、加厚落地剪力墻截面等）的措施，保證地震力能有效傳遞給落地豎向構件。從結構計算結果表明，設計均滿足規范限值的要求。

對于本工程中主要結構構件材料采取如下，柱、剪力墻砼等級取值見表1所示。主要梁板砼等級為C30，轉換層梁為C60。砌體材料及強度等級：內隔墻采用燒結頁巖空心磚(密度等級≤1000kg/m3，強度等級MU5.0)，M5混合砂漿砌筑；外隔墻采用燒結頁巖空心磚(密度等級≤1000kg/m3，強度等級MU5.0)，M5混合砂漿砌筑；廚房、衛生間及地下室等較潮濕房間的墻體采用M5水泥砂漿、MU10燒結頁巖多孔磚（20孔及以上)砌筑。

表1項目結構柱、剪力墻砼等級一覽表

2.2結構計算分析

本工程采用中國建筑科學研究院PKPM工程部開發的SATWE（2008年10月版)軟件進行整體計算分析，采用廣東省建筑設計研究院和深圳市廣廈軟件有限公司聯合開發的廣廈建筑結構CAD(GSSAP模塊)進行復核對比。主要計算參數的取用為1~4號樓計算參數采用振型組合方法CQC（耦聯)；計算振型個數24（15）個；地震烈度6度；場地類別Ⅱ類；設計地震分組為第一組；特征周期0.35s；多遇地震影響系數最大值0.04；活荷載質量折減系數1~0.55；周期折減系數0.9（0.7）；結構阻尼比為5%；計算中考慮偶然偏心；嵌固點位置布置建筑負二層。其計算結果見表2所示。

表1結構計算結果

根據表1所示，計算結果分析1~4號樓在周期比、位移比、層間位移角、樓層側向剛度比、構件軸壓比等方面均滿足規范要求。計算結果合理性判別：從力學概念和工程經驗等方面分析判斷，認為本工程計算結果合理、有效，可作為工程設計的依據。

地下室抗浮專項設計

本工程地下室為框架結構，建筑負二層為上部結構嵌固層，局部覆土300mm。同時考慮到本工程離江河較近，共有四層地下室。相鄰濱江路標高為187.800m，設計負四層地面標高為180.400m，負二層地面標高為188.200m，基本平濱江路。根據建設單位提供的本工程防洪標準為工程措施按50年一遇執行，設計水位為195.05m。當遇到洪水水位高于濱江路時，不采取其他措施抵擋，允許洪水流入負三、負四層地下車庫。由此確定抗浮最不利設計水位為負二層地面標高188.200m，設計水頭為188.200-180.400=7.80m。

本工程地下室抗浮設計主要分為整體抗浮設計和局部抗浮設計兩部分。整體抗浮設計，根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2001（2006版）第3.2.5條第3款，對結構抗浮驗算時，荷載分項系數應按有關結構設計規范的規定采用。結合《砌體結構設計規范》GB50003-2001第4.1.6條，當砌體結構作為一個整體，驗算整體穩定性時（傾覆、滑移、漂浮等），對起有利作用的永久荷載標準值效應的分項系數取0.8，對起不利作用的可變荷載標準值效應的分項系數取1.4。本工程分為1、2、3、4四個塔樓，四個塔樓重力荷載標準值（PM豎向導荷）分別為1#樓914074KN、2#樓795609KN、3#樓692204KN、4#樓459718KN。負四層總建筑面積為14638.38m2。7.8m水頭浮力標準值為78KN/ m2。0.8x（914074+795609+692204+459718）/14638.38=156.40KN/ m2 >78x1.4=109.2 KN/ m2 。整體抗浮滿足要求。

局部抗浮設計，經過分析比較，取4#樓部分L軸交22軸柱作為研究對象（此位置樁頂只有2層地下室荷載，抗浮相對不利）。柱底重力荷載標準值（PM導荷）為4702KN。柱距為8.4x8.4m，柱下樁所受浮力標準值為78x8.4x8.4=5504 kN。重力與浮力的標準值差值為4702-5504=-802KN，重力與浮力的設計值差值為0.8x4702-1.4x5504=-3944 kN。需要進行樁基抗拔設計，現設計樁身直徑1.2m，嵌巖深度1.2m（1d），擴大頭直徑為2.2m。根據地勘報告，中風化泥巖樁基極限側阻力標準值為450KPa。參照《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）公式5.4.5-2，樁基抗拔極限承載力標準值Nk=（0.5x450x3.14x2.2x1.2）x0.5=932>802KN（巖石抗拔系數λ取0.5）。樁身與土體的摩擦力作為安全儲備。樁身單軸抗拉設計，現設計直徑1.2m樁配3622（鋼筋間距為105），參照《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）公式7.4.1樁身正截面抗拉承載力設計值N=360x36x314=4069KN>3944KN。通過樁身設計，局部抗浮能滿足要求。

考慮到洪水浮力的偶然性，應注意施工順序，待上部主體結構施工完成（包括砌體隔墻），即有利永久荷載完全加載后，最后施工地下室底板。避免洪水來臨時未加載完全而導致結構整體漂移。時應注意底層樓板防水處理。

結語

文章通過結合筆者從事高層結構設計的實踐體會，通過結合實例，提出了一些值得結構設計上注意的問題及相應的處理方法，可供工程設計人員參考。

參考文獻：

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注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。