实例探讨建筑工程的结构设计

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摘要：随着经济的快速发展，在城市中出现了越来越多的高层建筑，本文根据某建筑楼的设计实例，简要介绍了某建筑楼结构设计特点和结构布置原则、转换层结构的处理要点以及型钢梁柱的构造形式。

关键词：结构设计；上下刚度比；钢骨砼

中图分类号：S611 文章标识码：A文章编号：

一、工程概况

本项目的建筑平面呈“V”字型，地上十九层，层高为3m，标准层的平面总长度约为64m，建筑总高度为60.5m，小于框支结构高度限值100m，地下二层，满足1/15的埋置深度的要求。整体结构高宽比为5.35。结构抗震设防烈度为7°，场地为Ⅳ类。转换层上部抗侧力构件为三级，其他落地剪力墙和框支构件均为二级。

二、结构体型的评定及相应加强措施

本工程采用带局部高位转换层的剪力墙结构，对照建设部《超限高层建筑工程抗震设防管理暂行规定》，首先对结构体型规则性进行验证如下：

1）立面:下部四层存在立面开大洞口，整体结构为高位转换形式，竖向刚度不连续，属于立面不规则；

2）平面:平面体形不规则，中间部位略有收进，但不大于该方向的30％；

3）楼层刚度突变均小于25%。

4）平面内质量分布和抗侧力构件的布置基本均匀对称。

平面形状不规则问题在平面凹角部位，尽可能设混凝土连梁或用楼板连通，以加强构件的构造措施提高承载能力，同时达到增加耗能构件的目的；对处于阴角处的应力集中，在构造上对该部位构件采取加强措施，使之与承载力能力相协调。考虑到左右两侧结构轴线呈斜交形状，中间连接部位平面上有所收进，而且处于转换结构的上部，因此充分考虑楼板平面刚度对水平力分配影响所产生的相应问题。对该部位楼板按刚性板和弹性板两种理论进行整体分析。在设计中加大该部位的楼板厚度，特别是转换层上下两层的楼板厚度（转换层处楼板厚度为200，上部两层该处楼板厚度为150），并采用双面双向配筋方式；在对称轴凹口处增设连梁，以充分适应地震作用时的水平力的传递。平面不规则造成的扭转影响程度的把握：在结构设计时，加强房屋周边刚度，在建筑物周边均匀增设抗震墙，以提高抗扭转能力；在延性构造上，将转换层下部和转换层相邻的上一层剪力墙中均设置暗梁和暗柱，形成剪力墙周边约束构件，来增加剪力墙的变形能力。

三、相关计算结果

本工程属于超规超限的高层结构，为此我们采用了SATWE和ETABS两种空间结构模型程序（并且分别考虑弹性楼板与刚性楼板）进行力学分析，且不断调整优化结构布置，使之满足有关规范的要求。

1．结构自振周期

从上述计算结果可以看出：ETABS（V6.11版）的计算结果比SATWE要略刚，主要原因是软件ETABS（V6.11）和SATWE软件墙元构造的差别。前者采用的时Wilson墙元，即两侧的边柱和顶部的刚性梁以及平面内的膜单元组成，SATWE采用壳元模型，单元刚度上ETABS略刚于SATWE。本工程中在局部中间收口处，因此引入弹性楼板模型，计算中分别考虑弹性楼板和刚性楼板情况，以进行比较。计算结构表明：弹性楼板和刚性楼板模型主要的在于结构第二周期以及以扭转振动为主的第三周期，总体来说，两者的计算结果十分接近。

表1 结构周期计算结果

2．上下刚度比

设计中在竖向结构布置时，一方面加强落地墙的面积，减少立面上下刚度的比值，另一方面将转换层区域上部剪力墙墙肢尽可能缩短，弱化上部结构的刚度。此外为了减少转换构件的数量，尽量增大框支柱的截面，使得上部多数墙肢能直接支承到柱，减少传力途径，同时也减少了框支柱的长细比。在计算高位转换结构这类底部大空间结构中，（本工程下部转换层框支柱跨越三层支撑上部结构，柱长达到12米），针对这种长细柱（墙），结构的抗侧刚度宜采用弯剪刚度，以充分反映弯曲变形的影响。在计算中选择综合刚度代替剪切刚度，而现行的《钢筋混凝土高层结构设计与施工规范》中所定义的剪切刚度比主要适用于底层大开间结构。本工程分别采用剪切刚度和弯剪刚度计算所得的转换层上下刚度比见表2。从表2可以看出弯剪刚度更“真实”地反映上下刚度的变化情况，为结构设计提供合理依据。

表2 转换层上下刚度比

计算结果表明：立面变化处结构整体抗侧刚度上下变化不大，较为接近，表明结构的布置将刚度突变的程度降低到可接受的范围。

3．结构水平位移

两种软件计算得到的结构在地震作用下的位移见表3。

表3 不同软件计算结构位移

从该过程中可以推出：楼层的位移沿竖向比较平缓，层间位移角曲线在转换层处略有起伏，说明本工程上下刚度控制比较适宜。动态时程分析中结构层间位移角基本控制在1/800之内，按《钢筋砼高层建筑设计与施工规程》（JGJ3-91）满足要求，但略小于《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的1/1000的限制。我们认为建立在单构件试验基础上所编制的新的抗震规范的层间位移的控制要求偏严，框支层按1/1000从严控上可理解，但剪力墙结构按此要求，势必导致增加较多的墙体和水平地震力，与框支结构中弱化上部刚度的思想相饽。

4．竖向构件的轴压比

高位转换的框支柱在本工程中属于薄弱部位构件。设计中采取较严要求的延性构造抗震措施，除了采用在构件中设置型钢以及加强配箍率外，同时考虑满足规范对框支柱轴压比的限制要求。

四、钢骨混凝土在转换层结构中的应用

钢骨砼由于具有较高承载力和较好的延性性能，综合效益优于钢筋砼，在竖向承重构件尤其是框支转换柱中得到了较好应用。本工程框支柱均采用SRC钢骨钢筋砼柱，为了减少节点区钢筋的锚固和连接，大部分转换梁采用普通钢筋砼梁，仅局部两根抗剪承载力不能满足要求的转换梁，采用劲性砼梁。

转换柱中有圆形和椭圆型两种截面形式，圆形柱直径为1500（原设计为钢筋砼柱，截面直径为1800，截面减少17%），内配＋字型焊接钢骨，钢骨置于柱中部；对于椭圆形柱长度为1800，宽度为800，选择拉长＋字型钢骨，使整个柱截面布置更加均匀，使钢骨具有更大的抗弯刚度，钢骨之间的连接采用高强螺栓连接。

本工程框支柱的最大轴压比为0.55，圆柱的纵向钢筋配筋率为1.0%，体积配箍率为1.1%，型钢的含钢率为4.12%；椭圆形柱的纵筋配筋率为1.63%，体积配箍率为1.14%，型钢的含钢率为4.97%。满足《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）中对钢骨设置要求。由于钢骨的设置，相应带来了箍筋难以布置的问题。为了满足上述规程对柱体积配箍率的要求，设计中尽可能利用型钢周边空当，配置各种形状复合箍筋，尽可能并保证每隔一根纵筋均有箍筋拉结。由于转换层上部墙体布置的多样性，以及底部框支柱间距较大，本工程中转换梁存在着多次转换的问题。工程中我们采用普通宽梁形式给予解决。主梁ZL6在竖向荷载下梁端计算剪压比达0.241,超过0.2的限制，因此该梁采用型钢砼梁，梁中型钢的配置《型钢混凝土组合结构技术规程》的计算确定。梁中钢骨上翼缘在梁跨1/3范围内抗剪拴钉，其直径为19mm，间距为200。

五、结语

超规超限高层的结构设计，必须首先从总体上把握结构的薄弱环节，有的放矢地进行抗震分析和构造加强措施。对于竖向结构不连续的体型，应调整结构综合刚度（而不是剪切切刚度），减少刚度的突变使结构位移能够平缓。对转换结构构件宜采用型钢混凝土，从承载力和延性两个方面予以充分加强。

参考文献:

[1] 建筑抗震设计规范 GB50011-2001[2] 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138-2001

[3] 房屋建筑抗震设计新技术--建筑抗震设计规范GB50011-2001修订背景资料，2001