摘要:本文作者結合工程實例主要就高層建筑設計中的結構體系的確定,計算程序的選用和注意事項作了闡述,同時就框支層的結構設計進行了分析。
　　關鍵詞∶高層建筑；結構設計；
　　1工程概況
　　本工程位于某市中心區黃金地段,總建筑面積約20萬m2。由五幢30～31層高層住宅樓組成,地下部分2層,底層架空、無裙房;2層以上為住宅。五幢高層建筑下的2層地下室連為一體。五幢高層結構平面體型較不規則,建筑總高近100m,結構長寬比3.7～6.9,高寬比5.4～10.3。
　　2．結構體系的確定
　　根據建筑功能的使用要求,本工程為高尚住宅區,底層架空為酒店式大堂,并引入室外景觀造景,為此,建筑對底層柱及剪力墻的布置位置有嚴格的要求,上部住宅部分要求室內方正實用。為滿足上述要求,本工程采用框支剪力墻結構,于二層樓面設置轉換層。因上部墻體多數無法直接落地或落于框支梁上,因而采用了箱高為2300mm的箱形轉換結構。利用箱體增加轉換層的整體剛度,同時箱體的上下層板又增加了框支梁的抗扭性能。配合建筑使用功能合理布置抗側力構件,以合理控制結構的總體剛度,使之既滿足抗震要求又滿足抗風的要求。將核心筒剪力墻落地,在建筑物外圍及局部突出部位設置700-900mm厚的L型剪力墻,避免出現獨立框支角柱,同時將中部部分剪力墻落地,以保證落地剪力墻的數量,滿足上下剛度比的要求。
　　3．計算分析
　　3.1計算程序的選用
　　本工程屬于結構體系復雜的高層建筑,結構設計采用兩種軟件分析計算;一種是PKPM系列的SATWE程序(包括PMSAP及SATWE動力時程分析》該程序采用墻元模擬剪力墻,是國內應用比較廣泛的軟件之一。同時另采用體單元模型的ANSYS有限元分析軟件進行復核。
　　3.2程序使用的注意事項
　　(1)程序平面輸入時應注意人工指定框支柱、框支梁。在平面輸入時應正確指定轉換構件,確保程序計算時能按相關規范規定,對轉換構件在水平地震作用下的計算內力進行放大,對框支柱的水平地震剪力進行調整等。
　　(2)對于一字型墻肢出現與其平面外方向的樓面梁連接時,為降低梁端彎矩對墻的不利影響,在程序計算中將梁與墻相交處作鉸接處理,減少梁對墻產生的平面外彎矩。此時,在墻與梁相交處設置暗柱,并按計算確定其配筋。
　　(3)剪力墻之間的連結梁應根據具體情況指定為連梁或框架梁。對一端或兩端與剪力墻相交的梁會在程序中默認為連梁,計算中程序會對其剛度進行折減后再計算其內力;而對跨高比較大(>5)的連梁,其受力模式接近框架梁,此時應將該類梁人工定義為框架梁,以求內力分析的準確。
　　(4)剪力墻的荷載應保證準確傳至其下部構件上。對于墻直接置于箱板上的情況,應于墻下設置暗梁,使墻體荷載傳力途徑明確,不造成缺失;對于靠近柱支座的剪力墻,程序可能會自動判斷其下端節點為柱節點,而將墻體荷載傳至柱上,造成梁的內力分析偏差,此時可在墻肢下端對應位置的梁上增加附加節點,以確保墻肢荷載作用在梁上。
　　(5)在程序計算中,為盡量符合工程實際,底層計算高度取地下室頂板板面至箱形轉換層箱體中間(即底層凈高加箱體高度的一半),二層計算高度取箱形轉換層箱體中間至三層面。若直接取底層層高為底層計算高度,則未充分考慮箱體的雙層板作用,程序計算的底層側向剛度偏小,勢必造成為滿足側向剛度比的要求而加大構件截面,引起不必要的浪費。
　　3.3結構分析的主要結果
　　本工程共有五幢單體建筑,本文列舉其最不利的一幢(即北樓三)的計算結果。
　　(1) ANSYS程序計算結果見表1；
　　表1ANSYS計算結果

　　（2)SATWE程序計算結果見表2。在計算中,控制以扭轉為主的第一自振周期與乎動為主的第一自振周期之比小于0.85；結構最大層間位移與平均層間位移之比小于1.2。
　　表2SATWE計算結果

　　
　　(3)本工程采用由中國建筑科學研究院工程抗震研究所提供的地震波進行計算分析,地面運動加速度峰值55gaL。彈性時程分析法的計算結果與振型分解反應譜法的計算結果基本一致;彈性時程分析時,每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%,多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的8O%。
　　(4)轉換層上下樓層結構側向剛度比計算。設計中控制轉換層上下結構的側向剛度比不大于2。按《高層建筑混凝土結構技術規程》附錄方法計算的轉換層上下結構等效剪切剛度比為VX=1.39,Vy=1.90;按抗震規范(3.4.3)條文說明方法(即層剪力/層間位移差)計算樓層側向剛度比結果為VX=1.28,Vy=1.74。
　　(5)箱形轉換層樓板應力采用ANSYS有限元程序進行分析,分析結果表明,各荷載工況作用下,箱體上層板均為受壓,箱體下層板均為受拉。
　　4．框支層結構設計
　　4.1框支柱設計
　　本工程框支柱抗震等級為一級,軸壓比限值為0.6。框支柱主要截面取130OX13O0～13OOX23O0,計算結果表明,所有框支柱的受力較為均勻,軸壓比從0.42～0.51,因而,箱形轉換層下框支柱的變形一致性較好。框支柱的剪力設計值按柱實配縱筋計算并乘以放大系數1.1,剪壓比控制在0.15以內。柱內全部縱向鋼筋的配筋率不小于1.2%,箍筋沿柱全高采用不小于Φ12@100井字復合箍,體積配箍率均不小于1.5%,使柱具有—定的延性,實現強剪弱彎。框支柱在上部墻體范圍內的縱向鋼筋伸人上部墻體內一層,其余柱筋錨入梁或板內。
　　4.2剪力墻設計
　　本工程核心筒落地剪力墻厚400mm,除核心筒外,在建筑四角布置700～900mm厚的L型剪力墻。為改善混凝土的受壓性能,增大延性,設計中控制墻肢的軸壓比不大于0.5。墻體的水平和豎向分布筋除滿足計算要求外,同時也滿足0.3%的最小配筋率的限值。底部加強區的剪力墻中按規范要求設置約束邊緣構件,約束邊緣構件的縱筋配筋率控制≥1.2%,箍筋不小于Φ12@1OO,體積配箍率控制≥1.4%,同時,對長厚比＜5的短墻在計算中按柱輸入計算進行比較,結果表明,短墻按墻和按柱計算的結果基本一致。在構造處理上,對此類短墻除滿足墻的相關要求外,同時按柱的構造要求配置縱筋和箍筋。
　　4.3框支梁的設計
　　本工程框支梁抗震等級為一級。對于兩端擱置于框支主梁上的框支次梁,其受力類似簡支梁,跨中底筋較大,支座面筋基本按構造要求配置。對于兩端擱置于框支柱或墻上的框支主梁,當其上無剪力墻時,此類梁受力模式與普通框架梁類似,當其上有剪力墻時,上部的墻體與該梁共同參與工作。
　　本工程的框支主梁的梁高23OOmm(即箱體高度》于梁頂和梁底各設置一層200mm厚的箱板,梁截面尺寸按剪壓比0.15控制。梁主筋配筋率除滿足計算外,還不小于0.5%,上部主筋沿梁全長貫通,下部主筋全部直通到柱或墻內,沿梁腹部設置不小于Φ16@150的腰筋,于梁中部設置—排Φ20的抗裂縱筋,抗裂縱筋根數同箍筋肢數,梁箍筋全長加密。
　　對部分框支梁,因其受力較大,在靠近柱支座處的應力集中尤為突出,部分梁的計算結果表明,梁端抗剪不足,經人工核查該梁各截面剪力設計值,發現大部分剪力不足處的截面已位于框支柱截面內,對此情況的梁截面尺寸不做調整,而對于確實抗剪不足的梁采用梁端水平加腋的方式解決該梁的抗剪能力不足的問題。
　　4.4箱形轉換層樓板的設計
　　箱形轉換層的箱體高度為2300mm,箱體的上下層板厚均為200mm。對箱體的上下層板主要采用ANSYS有限元軟件進行內力分析。分析結果表明,各荷載工況作用下,箱體上層板均為受壓,最大平均壓應力為1.2MPa,箱體下層板均為受拉,最大平均拉應力為2.0MPa。在設計中,將樓板裂縫控制在0.2mm以內,實配雙層雙向Φ16@150的通長鋼筋。
　　該雙層板增強了整個轉換層的剛度,使箱形轉換層形成一個剛度很大的剛體,使剛體上部的荷載能通過它有效的傳遞至各豎向支撐構件上,且增加了框支主梁的抗扭性能。
　　5．結束語
　　通過本工程的設計,帶箱形轉換層的高層結構的抗震性能及安全性能是可以得到保證的。在該結構布置情況下,結構的周期、位移、轉換層上下剛度比等指標均能滿足現行相關規范的要求。
　　[參考文獻]
　　[1]建筑抗震設計規范[Sl(GB50011-2001)
　　[2]高層建筑混凝土結構技術規程[S](JGJ3-2002)