摘要:本工程結構設計針對項目的實際情況,針對限、轉換及非荷載效應等難點,根據安全、適用、經濟的原則,提出了一系列的解決方案及構造措施,可為類似高層建筑的設計提供了參考。并對結構布置和選型、結構設計措施及計算進行了論述。
　　關鍵詞:高層建筑、結構布置、計算分析、結構設計
　　1工程簡介
　　某大廈為大底盤雙塔樓建筑,總建筑面積約14萬m2,地面以下建筑面積約3萬m2,設4層地下室作為停車庫,其中負4層兼作6級人防地下室;地上部分建筑面積約11萬m2。本工程南北地塊統一布局,共設6層裙樓,不設結構防震縫;裙樓以上樓建筑高度175.5m,采用框架-核心筒結構;樓建筑高度99.7m,采用框架-剪力墻結構。本工程抗震設防烈度為7度(商場區域為乙類建筑,抗震構造措施按8度),場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第1組。
　　2結構設計重點
　　本工程建筑造型獨特,裙樓建筑功能豐富,要求裙樓商業區域有較多的大空間,并對結構高度作出了嚴格的限制,結構設計中有以下問題需重點解決:
　　⑴房屋高度為175.5m,采用鋼管混凝土柱框架-核心筒體系,據《高層建筑混凝土結構設計技術規程》規定的A級高度為130m。
　　⑵大廈限結構的位移控制及穩定性驗算;
　　⑶大廈部分由于裙樓大空間的要求,造成多處豎向構件上下不連續,
　　需進行大跨度結構轉換;
　　⑷豎向構件差異變形的影響及分析。
　　3結構布置和選型
　　根據建筑使用功能及立面的需要,本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系,利用電梯井、樓梯間及設備用房等設置沿建筑物全高貫通的核心筒,框架柱則設置在建筑物周邊,以使建筑空間能靈活分隔。為提高結構的抗震性能及控制框架柱的軸壓比,框架柱和轉換桁架支柱均采用鋼管混凝土柱。
　　4結構設計措施及計算分析
　　4.1整體計算分析
　　考慮本工程的特殊性,我們采用多個空間結構分析程序進行計算對比分析,并對各程序的計算結果進行判斷后用于構件設計。整體分析主要以中國建研院編制的《多層及高層建筑空間有限元分析及設計軟件》SATWE為主,采用PMSAP進行設計驗證;對于轉換桁架及轉換大梁等關鍵構件則采用充分考慮構件軸向變形的ETABS等程序進行重點分析。根據JGJ3-2002《高層建筑混凝土結構設計技術規程》的有關要求,并為確保限結構的安全,本工程計算中按《地震安全性評價報告》所提供的場地人工地震波輸入結構作彈性動力時程分析;計算中按罕遇地震的地震影響系數對結構作地震作用下的彈性內力分析,把罕遇地震作用下的彈性內力和豎向荷載進行組合,依次驗算落地剪力墻的抗剪強度以及樓板薄弱位置的抗拉、抗剪強度,保證其滿足強度要求(驗算時荷載分項系數取1.0,材料強度取標準值),以確保在設計罕遇地震作用下關鍵構件不出現脆性破壞,從而保證符合“大震不倒”的設計原則。
　　針對本工程結構X向高寬比為5.27及抗側剛度較小的特點,設計在采用框架-核心筒結構的基礎上,設置外框架加強構造寬扁梁及X向寬梁,采用提高豎向構件強度及彈性模量而不加大構件截面及重量的措施,從而達到提高剛重比的要求。本工程在風荷載及地震荷載作用下的最大層間位移見表1,地震荷載及風荷載作用下最大層間位移均未過規范限值1/694。
　　表1風荷載、地震作用下結構的層間位移

　　注:括號內數字為PMSAP結果。
　　4.2轉換桁架的設計
　　根據建筑立面和功能的要求,本工程部分局部結構豎向柱構件上下不連續貫通,需要進行豎向構件轉換,考慮工程實際情況,轉換結構考慮采用以下3種形式:
　　1)采用局部梁上托柱轉換,通過在7層平面(裙樓屋面)設置1.8m厚的大跨度梁式及厚板式轉換層,厚板局部挖空并在其中埋置鋼箱暗梁,形成空間受力的寬扁鋼-混凝土組合轉換梁組,共同支撐上部結構柱。這種轉換結構占用建筑空間較高,結構剛度突變較大,抗震性能不甚理想,故設計中未作考慮。
　　2)采用斜撐式轉換結構(如圖1),斜撐角度約為51°。由于桁架上弦的拉力及斜撐水平分力的作用,部分剪力墻遠端墻肢存在受力及剪力較大,設計時采用反向斜撐平衡部分內力,并在轉換桁架上下層柱及剪力墻中加設鋼骨,共同抵抗拉力及剪力,必要時可在剪力墻遠端墻肢加預應力以減小墻肢的拉力。承受軸向拉力的框架梁,設計時采用與柱中鋼骨焊接連通的鋼骨混凝土梁。斜撐轉換結構盡管對上下層酒店有一定影響,但不影響下層大空間使用,
　　
　　圖1斜撐轉換側面示意圖
　　效果較理想,但由于水平構件及豎向構件均出現一定的拉力,故其構造相對較復雜。
　　3)由于建筑方案的變化,設計上最終選用了采用傳力更合理的桁架式轉換結構,其主要轉換構件均采用抗震性能好的鋼-混凝土組合構件。在不影響建筑功能使用的前提下,在4～5層間設置跨層桁架,既充分利用了空間,又提高了桁架的高度,能有效地減小桁架的撓度,使豎向構件不再出現拉力,水平構件的拉力可以大幅減小。由于轉換桁架跨度將近20m,兩端框支柱彎矩達5000kN•m,設計上考慮在轉換層對鋼管柱進行外包鋼筋混凝土以增大框支柱整體剛度,減小柱的平面內變形,從而可減小桁架的撓度。另外,為減少托換柱與周邊柱變形差造成的梁端彎矩增大,設計中根據計算結果對轉換桁架的施工提出了嚴格的預拱要求。
　　4.3豎向構件差異變形的分析及措施
　　本工程樓高層外邊框柱、裙樓部分大跨度兩端柱及樓轉換層以下的支承柱均采用承載力高及抗震性能好的鋼管混凝土柱,解決了高層柱、大跨度柱及框支柱采用普通鋼筋混凝土時截面過大的問題,但由于計算時對鋼管內混凝土三向受力彈性模量不能真實模擬,帶來了鋼管混凝土柱壓縮變形普遍偏大的問題,再加上計算程序對鋼筋混凝土構件徐變效應的考慮不足,使部分主樓與裙樓相連的框架梁及高層塔樓框架梁出現了一些不合理的受力情況。針對以上情況,設計考慮以下解決辦法:
　　在樓與裙樓間設后澆帶,可有效地解決樓與裙樓柱壓縮變形差引起的問題。計算時以SATWE模擬施工方式①計算,考慮消除支座變形差時以豎向構件剛度放大的模擬施工方式②對部分構件進行設計,并結合不同結果綜合考慮。
　　樓外框柱與內筒考慮施工時內筒負荷先上、外框負荷后上的因素,在承載力及剛度滿足的基礎上適當減小內筒墻厚并控制其軸壓比。在高層塔樓水平構件設計時考慮以上因素,可避免不必要的構件截面增大并可使配筋更為合理。
　　對轉換桁架及托換梁構件在施工時進行適當的預拱,控制在恒載作用下構件保持水平,可大大減小轉換構件與其它構件的撓度差,減少因支座位移差的梁內力。
　　4.4樓層剛度局部削弱的問題
　　本工程除在電梯筒部位局部樓板開洞外,另在裙樓2、3層連接兩塔樓的中間樓板位置開有大面積洞口,其開洞面積小于塔樓平面面積的30%,但樓面開洞尺寸過樓面寬度的1/2。針對樓板因開洞削弱而產生的平面內變形,設計上選用能考慮樓板變形影響的設計軟件進行整體內力分析計算,采用彈性樓板假定,使結構計算模型能更真實地反映結構受力情況,同時按《高層建筑混凝土結構技術規程》第4.3.8條采取相應的加強措施,每層建筑外周邊和裙樓室內開洞周邊適當加高外框邊梁截面,并加強梁筋構造,提高結構的整體剛度,提高建筑物的抗震性能。
　　裙樓部分因建筑功能的要求,局部柱距達20m以上,且對使用凈空的要求較高,設計上局部采用鋼骨混凝土寬扁梁構件,次梁采用井字樓蓋體系;兩棟塔樓的裙樓連接體樓板局部加厚至150mm,連接梁采用鋼-混凝土組合梁,增強兩棟塔樓之間的變形協調能力。