以某工程为例谈高层建筑的结构设计

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【摘要】：本文结合国内某建筑工程，分析了该工程的地质条件、地基处理及基础形式、结构主体方面的设计，并利用软件对该结构进行设计计算，最后对结果进行分析。结果显示，该建筑结构满足规范要求，抗震性能满足设计要求。

【关键词】：工程；高层建筑；结构设计

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

眼下，经济的飞速发展，促使着房屋建筑逐渐由单层、多层向高层阔步发展。但由于目前房屋建筑结构设计周期短，任务重,大多数结构设计仅是根据已确定好的平面和竖向布置,先假定好构件尺寸,通过电算来调整结构的周期、位移、刚度比等,以至于房屋建好后在经济、实用、安全方面留下遗憾。

一、工程概况

某高层建筑总长60.8m，总宽19m，总高65.10m。地上十五层，地下一层。地下室层高7.4m（含局部设备夹层层高3.2m），一二层层高5.1m，三至十二层层高3.9m，十三至十五层层高4.8m。其中一至十二层为办公室，十三层至十五层为实验室，地下部分为车库和设备用房。总建筑面积18182.26m2，建筑占地面积2130.40m2。此建筑设计使用年限50年，为二类建筑，建筑耐火等级为一级，屋面防水等级为二级，地下室防水等级为二级(配电室为一级)。

二、自然条件及地质情况

本工程场地地震基本烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组第一组，建筑场地类别Ⅲ类。100年遇基本风压0.45kN/m2，50年遇基本雪压0.25kN/m2，场地标准冻深0.68m。场地地基土自上而下可划分为16层，从上至下依次为耕土，层厚0.4~0.5m；湿陷性黄土，层厚2.5~3.6m；细砂，层厚0.5~1.5m；粉土，层厚0.6~1.9m；粉质黏土，层厚1.9~3.8m；粉土，层厚1.5~3.1m；细砂，层厚4.0~5.2m；粉土，层厚5.7~7.3m；细砂，层厚1.1~3.4m；粉砂，层厚1.6~3.7m；细砂，层厚3.1~4.2m；粉质黏土，层厚3.5~4.4m；粉土，层厚3.0~5.9m；粉质黏土，层厚3.4~5.1m；细砂，层厚4.7~5.6m；粉土，未揭穿，主要由第四系上更新统河流相冲、洪积层。地下水稳定水位标高为425.6m至425.9m，地下水对混凝土及混凝土中的钢筋具弱微腐蚀性，场地为非自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅰ级(轻微)，湿陷性分类乙类。按非液化场地设计。本场地可不考虑软弱土的震陷影响，为稳定场地。

三、地基处理及基础形式

为了提高地基承载力，本工程主楼不应采用天然地基，拟采用CFG桩进行地基处理，经计算，桩径400mm，正方形布置，间距1400mm，桩长16.50m，桩体混凝土强度不小于20MPa，要求单桩承载力特征值≥550kN，处理后复合地基承载力特征值≥380Kpa。地基基础设计等级乙级。

根据场地地质情况及地基承载力大小，最终确定主楼采用梁板式筏型基础，门厅及地下车库采用钢筋混凝土柱下条形基础。另外，由于此建筑主楼与门厅、地库重量相差较大，为了减小两部分之间因不均匀沉降所引起的上部结构间的内力，在与主楼相连的门厅处从基础至顶层设置沉降后浇带，后浇带采用比相应结构部位高一级的微膨胀混凝土，施工期间后浇带两侧构件应妥善支撑，并且要在两侧结构单元沉降基本稳定后再进行浇筑，这是兼顾经济利益与施工工艺的有效措施。

四、结构主体设计

1.结构选型

根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008规定，本建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。考虑到主楼一层大厅为双层中空，建筑功能布局多为开敞办公区、视频大会议室、监控室等大空间以及建筑外形要求美观、大方等方面因素，故本建筑主体部分采用钢筋混凝土框架———抗震墙结构形式，这种结构体系兼顾了框架结构和抗震墙结构的优势，既能使房屋空间布局灵活，又能使高层建筑结构满足较大刚度的要求。具体做法是在建筑电梯井筒及楼梯间四周布置抗震墙，以及东西两侧山墙分别设置抗震墙，其余部位水平剪力由框架柱和框架梁承担。参照规范规定，结构抗震等级为框架一级，抗震墙一级，地下车库框架三级。

2.主要荷载取值

表1设计采用的均布楼、屋面活荷载标准值kN/m2

楼梯、阳台和上人屋面栏杆顶部水平荷载取0.5kN/m。高低层相邻的屋面，低层屋面考虑施工时临时荷载取4kN/m2。大型设备按实际情况考虑。地震参数：场地特征周期0.45s，建筑结构的阻尼比0.05，多遇地震水平地震影响系数最大值0.16。

3.主要受力构件尺寸取值

表2结构主要竖向构件尺寸变化值mm×mm

除地下车库顶板板厚为200mm、地下一层顶板厚为180mm外，其他各层楼板厚度均为120mm。

4.主要结构材料选取

表3主要结构构件的混凝土强度等级

此外，圈梁、构造柱、挑檐、雨篷及楼梯均采用C30混凝土。主要用于基础梁、板，墙和柱以及楼面梁的纵筋选用HPB235、HRB335、HRB400级钢筋。标高正负零以上填充墙采用加气混凝土砌块，容重≤6.5kN/m，标高正负零以下墙体采用MU10粉煤灰砖，其余内隔墙均采用轻质隔墙，其重量不应大于1.00kN/m。标高正负零以上采用M5混合砂浆，标高正负零以下采用M7.5水泥砂浆。结构中所采用的型钢、钢板和钢管均采用Q235-B级钢。

5.计算软件及计算依据

本工程计算使用程序为中国建筑科学研究院开发的建筑结构三维设计与分析软件SATWE。计算依据为建筑条件图及《混凝土结构设计规范》GB50010-2002、《建筑抗震设计规范》GB50011－2010、《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》JGJ3-2002、《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002等国家相关规范。

6.计算结果分析

（1）位移比

基于刚性楼板假定，考虑偶然偏心的条件下，最大位移与层平均位移的比值：X向为1.17，Y向为1.16；最大层间位移与平均层间位移的比值：X向为1.05，Y向为1.21。位移比超过1.2，需要考虑双向地震作用，在进一步施工图设计中对结构构件进行优化。

（2）层间位移

计算时不扣除整体弯曲变形，不考虑偶然偏心的影响，X方向地震力作用下的楼层最大位移：1/1273＜1/800；Y方向地震力作用下的楼层最大位移1/1023＜1/800，满足规范要求。

（3）剪重比

底层水平剪力与结构总重力荷载代表值比值：X向3.8%；Y向4.26%，均大于抗震规范(5.2.5)条要求的楼层最小剪重比3.20%，故满足要求。

（4）刚度比

结构整体稳定验算：其X向刚重比EJd/GH2=11.26；Y向刚重比EJd/GH2=9.19，均大于1.4，能够通过高规的整体稳定验算，均大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。

（5）轴压比

取框架柱2为例进行说明，底层轴压比为0.70＜0.75，满足抗震规范6.3.7及6.4.6条的规定，其余框架柱同此处。

（6）周期比

表4考虑扭转耦联时的计算结果

结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1的比值为1.1702/1.3891=0.8424＜0.9；地震作用最大的方向为-75.491度；有效质量系数：X向99.57%；Y向99.50%。

（7）框架柱地震倾覆弯矩百分比

在基本振型地震作用下，框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的百分比：X向21.06%；Y向22.69%，均小于50%，故本建筑中框架部分的抗震等级按照框剪架构确定是合理的。

五、结语

以上计算分析结果表明，本建筑采用框架的结构形式比较合理，满足了建筑经济、安全、适用、美观的总体要求，结构计算结果比较理想。结构抗震墙及框架柱采用变截面设计，符合力学原理和要求，并设置多道防线，使结构具有较好的延性，满足“三水准”的抗震设防要求。采用复合地基，节约成本，缩短施工周期，取得良好的经济效益。

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