从工程例子谈论高层建筑结构设计

 1工程概况

工程包括1层地下室、6层裙房，地上共19层，由于本工程所处地理位置优越但场地狭小，为满足人防、设备、地下停车的要求，设置了1层地下室。其中负l层暂时为六级人防，平时为汽车及自行车停车场；地上6层裙房为商场及办公，6层以上为住宅。由于裙房部分商场及办公需要较大的开敞空间，而住宅部分又不希望有较大的柱断面，因而结构设计采用了底部为大空间的框架一剪力墙，上部为短肢剪力墙的结构体系来满足建筑功能需要。本工程地下1层层高分别为4．5m。地上裙房分别为4．5m，5．Om及4rex3．5m，结构转换层1．4m，设备技术层2．2n1，标准层为2．8m。建筑物总高60多m。裙房框架抗震等级为I级，所有剪力墙抗震等级均为Ⅱ级。

2结构设计计算及构造问题分析

关于结构方案的分析比较以及梁、板、柱、墙等主要构件的截面尺寸等，本文不详述，仅对上部结构设计中的一些主要和难点问题作重点介绍。本工程上部结构关键在于处理好裙房与标准层之间不同结构体系转换后上下刚度的协调。

2．1设计计算及处理

(1)关于计算软件的选取。在计算高层建筑时，通常选用TBSA5．0，TAT及SATWE。由于本工程涉及到结构体系的转变，上部为剪力墙，下部为框支，又有转换大梁，因此选用中国建筑科学院编制的SATWE空间组合结构有限元分析软件，该软件采用空间杆模拟梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。对于楼板，可以考虑楼板整体平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚带弹性连接板带和弹性楼板。对于本工程楼面开大洞及平面不太规则的情况，采用SATWE中总刚来计算，较好地模拟了工程的实际情况。另外需要说明的是，对于转换大梁，严格地讲它是一个偏拉构件，可所有的软件由于忽略了梁的轴向变形，都显示不出拉力值，设计中只能靠构造措施来弥补。相关规范及有关要求用有限元来校核转换大梁，我们通过使用发现WQ在预算荷载方面还存在一定缺陷，对于复杂的转换大梁，例如有二级转换梁传荷载的情况，现有版本则不能正确反映梁的受力情况，这给使用该软件带来一定困难。因为对于高层建筑，恒载作用下人工校核荷载已十分麻烦，更何况需要将地震作用添加到每层上去。我们根据SATWE的计算结果辅以适当控制配筋率能满足工程需要。同时也希望现有软件能不断更新以满足结构中出现的新问题的需要。

(2)关于计算中参数的合理选取。规范规定对于复杂的高层结构，需要考虑扭转耦连，但我们通过计算发现，尽管本工程主楼体型不太规则，但对大多数杆件，非耦连起控制作用。大多数要求计算中考虑模拟施工加载，计算发现梁一次加载所需钢筋在结构的大部分位置均多于模拟施工荷载情况下所需钢筋，仅在顶部几层：一些不同。按照相关规范规定，本工程总高超过80m，需做时程分析。但对于地震波的选取却很困难，不同的地震波，哪怕卓越周期相同，反应却大不一样。选取哪条地震波以及如何利用时程分析的结果反算钢筋都直接关系着工程最后的经济技术指标。本工程选用不同地震波作用下各层的最大反应力的平均值为地震力反算结构的配筋。

(3)关于转换层设双层板后，转换层层高如何确定。TBSA及TAT都建议转换层层高取为转换梁高加下层层高。这样取值后会让转换层刚度大大减小，使本来满足上下刚度比的结构变得不满足。我们通过多次试算提出以下建议：由于转换梁包含上下两层厚板，我们认为该部分刚度无限大，因而在计算上下刚度比时，转换层层高取至双层板质心处(即转换层层高取为转换梁半高加下层层高)。这样处理会让结构总高度减小以及转换梁下层柱高度减小，造成风荷载减小及框支柱的弯矩减小。由于结构总高减小有限，风荷载的影响可以忽略。我们将框支柱的弯矩取出，考虑该柱实际净高，重新调整该框支柱的弯矩。这样处理使转换梁上下刚度比更加合理。当然，这一构想还需有结构模型试验数据进行支持。

(4)结构转换梁的设计。首先根据以往经验初步选定转换粱截面，采用SATWE软件进行结构整体计算，算出转换梁所受设计剪力v后，按V一≤O．15h／O．85校核截面尺寸。对转换梁不仅有强度要求，而且也有刚度要求，其变形对转换梁以上的剪力墙内力影响很大。我们按转换梁bxh=500x1700，600x2000，其它条件均相同的条件下分别对结构进行计算，发现在500x1700情况下上层剪力墙超筋，而在600x2000情况下上层剪力墙却能以构造配筋。后经比较发现，前者剪力墙弯矩远大于后者，因此对转换梁的设计，梁的刚度往往起控制作用。

2．2构造措施

地震是一种复杂的偶然运动，为保证结构的安全，除了以计算结果作为设计依据外，运用概念设计非常重要，采取必要的结构构造措施是保证抗震设防的重要手段。

(1)加强转换层楼板的刚度及延性。本工程将转换层底板顶板加厚至200mm，采用双层双向配筋，配筋率为0．25％，加强了整体性，增加了延性，形成一个类似于箱形结构的转换层，共同承担上部传来的荷载，使上部短肢剪力墙通过转换层将剪力很好地传给下面的落地剪力墙。

(2)加强底部框支层的刚度及延性。为保证在罕遇地震作用下落地剪力墙和框支柱不先于转换层及上部剪力墙进入屈服状态，防止落地剪力墙和框支柱由于抗剪强度不足而导致结构破坏，落地剪力墙厚度(核心筒)加厚为450ram，墙内分布筋的配筋率>0．4％。另外，在底层适当部位增设剪力墙，保证底部框支层有足够的刚度，防止沿竖向刚度比过于悬殊。框支柱和剪力墙小墙支的轴压比控制在0．6以下。框支柱的配筋率控制在1．5％左右，柱箍筋沿全高加密。若条件允许，尽可能将框支柱设计为型钢混凝土柱。

(3)部分框支柱采有扁长柱，一般为(600～800)mm~(29506000)mm，尽量使上部短肢剪力墙部分或大部分落在框支柱(扁长柱)上，使荷载传递直接，受力合理。但需注意扁长柱在纵横方向应均匀布置。

(4)提高连梁的延性和抗剪强度。加大洞口宽度，增加连梁跨度，考虑连梁刚度的折减；对超筋部分连梁的弯矩设计值做适当调整，按最大配筋率配筋，并适当提高与之相连接的剪力墙配筋，以提高连粱的塑性变形能力。

(5)为加强转换层的整体协调能力，在转换层楼面上周边及内部非门洞口的地方做一些矮墙，墙高伸至窗台底面。该段剪力墙在计算中未考虑，作为一种安全储备。

(6)由于上部住宅经常在紧靠轴线的位置布置门洞，造成框支中柱上无墙或少墙的情况。结构工程师应尽量与建筑师协调，此种情况应力求避免，框支中柱对应上部住宅位置应设剪力墙，有利于转换大梁剪力的传递。我们建议在设计带有转换层的高层住宅时，住宅部分短肢剪力墙尽量布置在框支柱上，墙肢可以长一些，避免在框支柱间设置剪力墙，这样可以大幅降低转换大梁的弯矩，同时也能降低梁高和配筋。若转换大梁上部跨中设有剪力墙，则转换梁大都由抗弯来决定断面；若转换大梁上部跨中没有剪力墙，则转换梁大都由抗剪来决定断面。如本工程中跨度为6．6m的转换梁，若跨中设置剪力墙，则梁断面为600x2000，主筋为103em：，若跨中没有剪力墙，则梁断面为500x1500，主筋为65cm。其优势显而易见。

3结束语

通过对本工程所结构设计及相关问题的处理，我们体会到：

(1)运用概念设计合理布置结构体系非常重要。在做一个较复杂的高层结构设计时，首先应该运用结构设计的有关经验来合理布置结构平面，选择恰当的梁柱剪力墙断面，使结构的周期、移控制在规范规定的允许范围内。俗语讲“七分概念，三分计算”道理就在于此。

(2)正确选择计算程序，使工程结构与计算模型基本相符，同时对计算的结果应加以分析、比较，对不太合理的计算结果应适当地加以调整以保证结构设计的安全性、合理性和经济性。

(3)转换梁的设计至关重要。转换梁上下抗侧力结构的布置、刚度比的选择、计算图示的选取对转换梁的设计影响很大，有待进一步研究。