某高层建筑结构设计
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摘要：本文以某地区的某高层民用建筑为例，对高层民用建筑设计中常出现的问题进行了讨论，并给出相应的解决方案，以便为后来相关设计人士提供参考依据。
Abstract: this article with a certain area of a high civil buildings as an example, the high civil buildings design often appears the question was discussed, and the corresponding solutions are given, so as to provide reference for persons related design later basis.
Keywords: high building overrun high-rise structure design of civil air defence design
中图分类号： TU97 文献标识码：A 文章编号：
引言
本文以某地区的某栋高层建筑的设计为例，首先讨论了高层建筑的嵌固端的选取和抗震等级的确定，然后对本建筑的人防地下室进行了合理的设计，又因为在本工程中建筑的使用目的不同，它在设计中出现了错层现象，笔者针对这个问题进行了结构分析和计算，提供了最佳的设计方案。
1.工程概况
某高层建筑约占地2.5万平方米，地上部分层数为15，主要作为办公用楼和酒店公寓；建筑另带负二层地下室，负一层做车库使用，负二层平时也做车库，战时为六级人防掩蔽所。本建筑室内和室外的标高相等，建筑高度为61.6米，根据有关规范可知属A级高度的高层建筑。由于建筑的使用功能的不同，所以在建筑第三层之上发生结构转换，建筑用于两种用途，根据两种用途设计出最佳的层高不同，所以引起结构错层，该建筑南面为办公用楼，各层高度均为3.9米，主要承重结构为柱，建筑北面为酒店公寓，各层高度均为3.2米，北面建筑的主要承重结构为剪力墙。根据工程所在地理位置可知，建筑抗震设防烈度为7度，地震分组为第二组，地震时地面运动的加速度为0.10倍的重力加速度，属Ⅱ类场地。根据有关的地质勘测报告，经分析可知本建筑基础适宜采用桩基础。建筑所在地的基本风压为0.55千牛/平方米。
2.嵌固端确定
2.1嵌固端的设置问题
由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
为了保证本工程建筑的上下楼层的侧向刚度，也就是如图1所示中的第三计算层与第二计算层的侧向刚度之比，经过有关计算得出，嵌固地点宜设为地下室顶板。新高规的5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。
图1结构计算标准层划分
在计算建筑的竖向构件的刚度比时，通常来说不需要对所有的竖向构件进行计算，而是选取建筑嵌固端上下层交界处向外45度斜线的有效范围之内的竖向抗侧力构件进行计算，但是在本工程中，没有竖向构件在计算范围之外，所以需要对所有的抗侧力竖向构件进行刚度比计算；由于本工程需要计算的竖向构件中，有很多是地下室的外墙，所以计算层的上下楼层的侧向刚度之比极易达到要求。在实际的计算机程序计算中，可以用剪力比代替刚度比进行计算。
本工程建筑第一层楼板的厚度是200毫米，并且楼板上没有设置大洞结构，且其外侧周围都设置有剪力墙，所以嵌固上下层刚度比比较容易满足有关规范要求，此外，本工程选取地下室顶板作嵌固位置，施工比较简单。在进行施工时，楼板所用的混凝土规格和配筋率以及柱的配筋率和配筋方式等，均严格按照有关规范要求，以保证建筑结构刚度。
3.抗震等级确定
由于本工程建筑为框架―剪力墙结构，其抗震等级为二级；由于该建筑的第三层为转换层，属高位转换，根据有关规范对框支结构的设计要求，当转换层的位置设置在3层或3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级应按高规规定的级别提高一级进行设计。所以本建筑中的一般框架按照二级抗震要求设计，而框支的抗震等级为一级；若加强部位不在底部，其抗震等级为二级，反之其抗震等级为一级，加强部位的剪力墙的抗震等级应提高一级，即按一级设计。地下室负一层的抗震等级应与其上部保持一致，而最下层的地下室，按照有关规范要求可为三级或者四级，在本工程建筑设计中其抗震等级为三级。此外，若剪力墙为短肢墙或者墙柱位于错层部位，其抗震等级都应再进行提高，提高程度仍为一个级别。
4.地下室的设计
由于地下室负二层战时作为人防掩蔽所，其结构包括墙、柱、桩和承台，设计时应对人防地下室在普通爆炸武器和核武器爆炸的作用下的承载力进行计算，并且整体计算的计算文件应录入人防荷载。在对此建筑进行整体计算时，顶板每平方米受到的人防荷载大小取55千牛，侧壁每平方米受到的人防荷载大小取45千牛。建筑基础的承载力验算时可不考虑人防荷载。此建筑为桩基础，底板抗浮要计入水浮力和人防荷载的组合，在本工程中，水浮力计算参数为60千牛/平方米，人防荷载为55千牛/平方米，为了使工程的计算简单化，将水浮力和人防荷载之和作为恒荷载进行计算。此外，有关规范对人防地下室的顶板的厚度做出了要求，这点常常被建筑设计师遗忘，所以在设计时应特别注意。
5.错层处理，结构分析和计算
本工程建筑中南面和建筑由于使用功能的改变设计时出现了错层现象。如图4所示的结构计算标准层划分，该建筑自三层以上两边开始错层，所以三层为其边界分为两种结构，上部结构刚度自三层之上起算，即不计算第一层和第二层。上部南北两侧结构中，南侧的部分楼层与北侧的部分楼层的标高相差不大（如图1中的13、14、22、23，其标高相差甚小），所以可按同一计算层进行计算。采用这种计算方法时，活荷载的折减系数按照相关专业计算程序的默认值0.55计算是不正确的，所以计算时应该进行手动输入，为达到有关规范的要求，在本工程中的折减系数为0.6。
在对本工程建筑的高位转换层上部和下部结构的等效侧向刚度比进行计算的时候，用的是SATWE中的剪弯刚度算法，计算得出的高位转换层的上下结构在X方向上的刚度比为0.9504，Y向为1.2510，都不大于规范限定值1.3。本工程有斜交抗侧力构件，工程对该方向的地震作用计算进行了补充。
本工程中由于剪力墙结构发生了转换，所以属竖向抗侧力构件不连续建筑，根据建筑所在地的高层设计规范中对体型不规则建筑的划分标准第5项知该建筑属II类；本建筑由于出现了错层现象（如图1），根据当地高层建筑设计规范中对于体型不规则建筑的划分标准第2项知，该建筑是平面凹凸不规则建筑。在对建筑有关结构进行初运算时，X-5%偶然偏心地震力作用下的楼层最大位移几乎都超过1.24，Y-5%偶然偏心地震力作用下的楼层最大位移几乎都超过1.34，超过当地地区高层设计规范中关于此项的限定范围。针对这个问题，工程采取的措施是增大周边墙和梁的截面，从而提高建筑的抗扭能力，保证结构的扭转程度不超过有关规范要求。对于另外4项不规则项目都严格控制在规范要求限值之内，从而使工程设计更规则、合理、经济。
本工程最终的计算结果如下：结构基本周期为1.7863秒，对地震剪力稍微进行了扩大，满足了有关设计规范中对剪重比的要求，X和Y方向最大值层间位移角分别是1/1764和1/1032，其大小由偶然偏心地震力决定。其他各项指标均满足规范要求。
6.结语
随着人们生活的越来越好和城市化现象的突出，城市建筑越来越高，而高层建筑由于其对结构刚度等各方面要求都很高，所以其设计比一般建筑要复杂。