浅谈高层建筑的结构设计

摘要: 本文结合工程实际情况, 分别介绍工程建筑抗震等级, 转换层的设置、设计以及结构选型问题。

关键词: 抗震等级; 转换层; 设置; 设计

1 工程概况

某综合楼, 总用地面积6850m², 建筑面积15000m²。该项目包含购物中心超市、高层住宅等功能。首至三层主要为商业空间, 4 层大部分为架空层与裙楼屋面结合的绿化、交通空间,5～16 层为四栋高层住宅楼。地下1 层为停车库。其中A、B区为四栋16 层塔楼裙房屋面设置结构转换层, 塔楼总高为49.52m。现就设计过程中遇到的一些问题并结合对《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3- 2002)》(以下简称《高规》)的理解和应用浅谈作者的设计体会。

2 结构设计

2.1 抗震等级的问题
按照《建筑抗震设防分类标准( GB50223- 95) 》和《建筑抗震设计规范(GB5001l- 2001)》的规定, 本工程下部商场部分用防震缝和建筑的防火单元分成各自独立的建筑空间, 高层部分和裙楼均根据建筑物使用功能的重要性可定为丙类建筑, 地区地震烈度为7 度, 高层部分各结构构件的抗震等级均可由《高规》中表4.8.2 确定: 框支框架一级: 剪力墙底部加强部位和非底部加强部位均为二级。经审图单位和抗震办公室审查后指出, 下部商场部分功能接近, 虽然用抗震缝和砖墙隔开, 但不能排除在使用过程中重新进行区域划分和调整功能的可能, 因此本工程应全部定为乙类建筑。乙类建筑和丙类建筑的造价相差较多, 业主难以承受, 根据其以往的开发经验和对同类工程对比, 业主已按现行设计方案进行了招商, 建成后不会进行大的调整, 按丙类建筑设计是合理的。设计单位和作者认为, 审查专家的意见有一定的道理, 下部商场作为大型公共建筑, 根据《建筑抗震设防分类标准(GB50223- 95)》条文说明: 在一般情况下, 原则上能保障在遭遇设防烈度地震影响时, 不致有灾难性后果的建筑, 均可列为丙类建筑。条文说明中还指出, 不论多层和高层, 只有年营业额1.5 亿元以上、固定资产0.5 亿元以上、建筑面积1 万m2 以上3 个条件均满足时, 才定为乙类建筑。另《建筑抗震设防分类标准》3.0.1.5 条中规定“建筑物各单元的重要性有显著不同时, 可根据局部的单元划分类别”。而本建筑裙楼商场大底盘设置了多道抗震缝将结构分为若干单元后, 大部分单元不同时满足上述3 个条件, 且各单元经招商销售后将划分为若干独立的中小型商场,相邻商场的人流及营业情况也会有所不同, 应不致产生灾难性后果。
因此本工程全部定位乙类建筑显然是不妥当的。经专家论证, 并参照抗震规范管理组的意见, 本工程C、D 区全部定为乙类建筑, A 区高层部分转换层及其上两层定为乙类建筑, 其它层住宅定为丙类建筑, B、E 区定为丙类建筑。因此高层部分各结构构件抗震等级为: 地下一层无上部结构的部分按7 度三级抗震设防; 有上部结构部分的地下一层至第6 层楼面框架和剪力墙按7度特一级抗震设防; 第6 层楼面以上至第8 层楼面框架部分为7度一级抗震设防, 落地剪力墙和一般剪力墙为7 度特一级抗震设防; 第7 层以上至屋面(包括小塔楼)框架和剪力墙均为7 度二级抗震设防。根据使用功能的重要性, 同一建筑物可以分为不同的抗震设防类别, 说明新规范更符合建筑物的实际使用情况。
2.2 转换层的设置和设计
一般来说, 如果竖向构件能够直接落地, 则不需设置转换构件。《高规》第4.3.5 条规定:“楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移, A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍, 不应大于该楼层平均值的1.5 倍; B 级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10 章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍, 不应大于该楼层平均值的1.4 倍。”如果核心筒偏心或者质量有偏心时, 即使所有柱子均能直接落地, 但最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值却往往也难以满足《高规》的要求, 此时, 设计中单纯通过加大柱截面的办法来改善其位移情况收效不大, 只有在位移较大部位布置剪力墙才能收到较好的效果。一部分剪力墙不能直接落地, 必须设置转换构件才能满足底部大空间的要求。在本工程结构方案设计阶段, A、B 栋高层建筑所有柱均可直接落地, 因此并未设置转换层。经过初设阶段后, 由于核心筒偏心, 上部住宅如果不设剪力墙, 单纯依靠加大柱截面的办法, 结构扭转周期仍为第一周期, 最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比不满足规范要求, 最终只好在上部住宅增设剪力墙并通过设置转换梁才能满足规范要求。因此, 在商住楼设计中, 如果平面不对称或平面较狭长时, 一般在裙房屋面设置转换层方可得到满意的计算结果。
2.3 结构选型问题
一般情况下, 高度在30m 以下的建筑, 框架结构要比框剪结构经济; 但是当建筑高度在40- 50m 时, 仍可采用框架结构, 也可采用框剪结构。但究竟采用框架或框剪结构, 则需设计人员通过试算确定。根据《高规》表4.8.2 可知: 建筑物高度超过30m时, 框架结构中框架的抗震等级均比框剪结构中框架提高一级。如采用框剪结构, 必须合理确定剪力墙的设置位置和数量: 剪力墙数量设置太多, 建筑物楼层质量较重, 地震力加大, 构件截面和配筋必然加大, 则不经济; 剪力墙数量设置较少其框架的抗震等级和柱轴压比限值仍需按照框架结构采用。抗震设计时, 剪力墙应沿建筑物周边, 对称分散布置, 对质量较重处也应布置剪力墙。合理的数量可由计算确定, 即在基本振型地震作用下, 剪力墙部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%。满足此条件的最少剪力墙数量和位置即为框剪结构的最优布置。因此当剪力墙较少时, 采用框剪结构并不一定比框架结构要浪费。本工程中D 栋原设计采用框架结构, 框架的抗震等级均为一级抗震设防; 在施工图设计中, 经过进一步的技术经济比较, 决定采用框剪结构, 纵向设7 片剪力墙, 横向设6 片剪力墙, 即可满规范要求。框架的抗震等级降为二级, 剪力墙为一级, 柱轴压比数值比框架结构的柱轴压比提高0.15, 柱截面减少较多, 骨架部分造价可比纯框架降低8%以上。可见, 合理的结构选型是结构设计人员必须掌握的第一要义。

3 结束语

在抗震等级的确定方面, 把高层建筑分为A、B 类, 从概念设计、结构计算和抗震措施方面均做了明确规定, 并增加了抗震等级为特一级的内容, 使高层建筑“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”等延性方面的设计得到较大的改善, 提高了高层建筑的安全性。抗震等级与建筑物的抗震设防类别直接相关, 必须在初设期间得以明确。为限制结构的扭转效应, 规定了最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比的限值。对于平面较狭长或核心筒有偏心时, 应设置剪力墙才能满足规范要求, 底部有大空间要求时, 应设置转换层。对于高度已确定的建筑物, 采用何种结构形式, 结构工程师应进行经济技术比较后确定。总之, 对新规范的理解和应用只有在不断的设计实践过程中才能更好地掌握。