高层建筑结构设计分析王方成发表时间：2016-07-28T15:02:06.787Z 来源：《基层建设》2016年10期作者：王方成[导读] 本文结合工程实际，对高层建筑结构设计分析。
深圳市建筑设计研究总院有限公司摘要：随着我国科学技术的不断进步和经济的快速发展，城市中高楼耸立，高层建筑物已成为人们共同的追求。
本文结合工程实际，对高层建筑结构设计分析。
关键词：高层建筑；结构设计1 工程概况该建筑总长46.10m，总宽35.90m，总高 111.563m，大屋面层高96.90m。
地上共23层，地下 2 层。
地下室层高 4.7m 与 3.75m。
1～22 层层高 4.2m，23 层层高4.5m。
上部均为办公室，地下部分为车库和设备用房。
总建筑面积53065.79 m2，其中地上37307.59 m2，地下 15758.20 m2，建筑占地面积 10636m2。
2 自然地质情况本工程场地地震基本烈度 7 度，设计地震分组第三组，设计基本地震加速度 0.1g，属于抗震不利地段，建筑场地类别Ⅱ类，设计特征周期取 0.45s。
50 年遇基本风压 0.80kN/m2，场地地基土自上而下可划分为 7 层，从上至下依次为①层填石，层厚 2.7～19m；②层中砂，层厚 0.90～22.9m；②-A 层淤泥，层厚 1.70～1.90m；③层（含砾砂）粉质粘土，层厚 1.3～3.2m；④层残积砂质粘性土，层厚 2.6～8.0m；⑤层全风化花岗岩，层厚1.1～7.3m；⑥层强风化花岗岩：灰白、灰黄、灰褐色，饱和。
⑥-1层砂土状强风化花岗岩，层厚 1.1～11.1m；⑥-2 层碎块状强风化花岗岩，层厚 0.8～11.5m；⑦层中风化花岗岩：灰、灰黄、灰白色，岩芯多呈短柱状和长柱状，局部呈块状，中粗粒花岗结构，块状构造，岩芯裂隙较发育，多呈闭合，岩芯采取率 67%～87%，RQD=38～71，岩石饱和单轴抗压试验为 64.60～70.10MPa，标准值为 66.03MPa，岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为破碎～较完整，岩体基本质量等级为Ⅱ～Ⅳ级。
本次勘察所有钻孔均有揭示至该层，均未揭穿，揭露厚度为2.20～10.76m。
3 基础形式由于办公楼及其周边纯地下室在基坑开挖后存在一定厚度的①层填石（厚度为 3.46～11.54m），采用预应力管桩时难以穿越填石层，另可供预应力管桩选择的桩端持力层④层残积砂质粘性土、⑤层全风化花岗岩和⑥-1 层砂土状强风化花岗岩分布不均匀，考虑到⑥-2层碎块状强风化花岗岩和⑦层中风化花岗岩分布较均匀，根据拟建场地岩土层特性、拟建物结构特点及荷载情况，采用冲（钻）孔灌注桩基础。
4 主体结构设计4.1 结构选型本建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。
由于建筑功能布局多为开敞办公区、大会议室等大空间，中间部分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———核心筒结构形式。
框架———核心筒结构的周边框架与核心筒之间形成的可用空间较大，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，因此广泛用于写字楼、多功能建筑。
具体做法是在建筑中部的电梯井筒及楼梯间四周布置抗震墙框筒，加大外框筒的柱距，减小梁的高度，周边形成稀柱框架。
参照规范抗震设防烈度为7 度，确定抗震等级框架为二级，核心筒为二级。
4.2 主要荷载取值高压配电房、电梯机房、通风机房活荷载为 7.0 kN/ m2，储藏间活荷载为 5.0 kN/m2，备餐间、车库活荷载为 4.0 kN/m2，商场、消防疏散楼梯活荷载为3.5 kN/ m2，办公室、卫生间、走廊、门厅、屋面花园、多功能厅大会议室活荷载为 3.0 kN/ m2，食堂活荷载为 2.5 kN/m2，上人屋面活荷载为 2.0 kN/m2，不上人屋面活荷载为 0.5 kN/m2。
大型设备按实际情况考虑。
4.3 主要受力构件尺寸取值地下室～1 层墙厚度为 400mm，2～23 层墙厚度为300mm。
框架柱截面尺寸：地下室为 1200mm×1200mm，1～3层为1100mm×1100mm，4～6 层为 1000mm×1100mm，7～9 层为 1000mm×1000mm，10～12 层为 900mm×1000mm，13～15层为800mm×900mm，16～18 层为 800mm×800mm，19～21 为700mm×700mm，22～23 层为 600mm×600mm。
地下室负一层顶板的厚度为 200mm，地下室顶板除核心筒内板厚 180mm之外，其余部位板厚为 300mm，屋面层的板厚为 120mm，其它各楼层的板厚为100mm。
4.4 主要结构材料选取梁板混凝土强度等级为 C30，柱墙混凝土强度等级：-2～4层为C50，5～9层为C45，10～14 层为 C40，15～19 层为C35，20构架层为 C30。
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 HRB400级钢筋。
4.5 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以及《建筑结构荷载规范》GB50009-2012、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010等国家相关规范。
4.6 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，X 方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.19 （第26层第1塔），Y 方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.28（第 26 层第 1 塔），属于平面不规则中的扭转不规则。
位移比超过 1.2，需要考虑双向地震作用。
（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：1/1055＜1/800；Y 方向地震力作用下的楼层最大位移 1/829＜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 1.70%；Y 向 1.7%，均大于抗震规范（5.2.5）条要求的楼层最小剪重比 1.60%，满足要求。
（4）刚度比。
X 向刚重比 EJd/GH2=3.42，Y 向刚重比 E-Jd/GH2=2.76，该结构刚重比 EJd/GH2大于 1.4，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算。
该结构刚重比 EJd/GH2大于 2.7，可以不考虑重力二阶效应。
（5）轴压比。
根据抗震规范第 6.3.6 条规定框架—核心筒在抗震等级为二级柱子的轴压比限制为 0.85。
同时当剪跨比不大于 2 时即出现短柱时，轴压比限制应当降低 0.05。
取 4层框架柱 KZ1 为例，层高为 4.2m，与框架柱相连的框架梁的梁高为 800mm，柱子的截面尺寸为 1000mm×1100mm，（4200-800）/1100=3.09<4，那么此时柱子的轴压比限值应当为0.85-0.05=0.80，查看电算结果 KZ1 的轴压比为 0.66<0.80，满足要求。
（6）周期比。
考虑扭转耦联时的计算结果见表 1：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 2.2693/2.7269=0.8322＜0.9；地震作用最大的方向为 88.346 度；有效质量系数：X 向 99.02%；Y 向 99.50%。
（7）侧向刚度比。
查看电算结果 X，Y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度 70%的比值或上三层平均侧移刚度 80%的比值中之较小者为 1.000，满足要求。
（8）竖向承载力比。
查看电算结果，X 方向最小楼层抗剪承载力之比：0.91，Y 方向最小楼层抗剪承载力之比：0.92。
满足高规第3.5.3 条 A 级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的 80%要求。
（9）框架柱的地震倾覆弯矩百分比。
根据高规第 8.1.3.2条规定当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的 10%但不大于 50%时，按框架—剪力墙结构进行设计。
查询电算结果可知：在底部加强部分范围内框架部分承受的地震倾覆力矩的百分比均大于10%但不大于 50%。
因此本工程中框架部分的抗震等级按照框架剪力墙结构确定是合理的。
4.7 超限高层建筑工程的判断（1）7 度（0.1g）框架-核心筒房屋高度超过 130m 的高层建筑工程为超限高层建筑工程。
本工程建筑高度为96.900m<130m。
（2）通过电算结果可知当考虑偶然偏心的扭转位移比大于 1.2，且建筑平面凹凸尺寸大于相应边长 30%，仅此两项不规则，由此判定不属于超限高层建筑。
4.8 穿层柱结构抗震性能分析本工程三层局部大开洞以两根柱贯通三、四层，此开洞造成三层高度范围（8.4m）部分框架柱没有与梁、板连接，形成了8.4 m 高穿层柱，穿层柱截面为 1100mm×1100mm。
穿层柱结构属于竖向不规则结构，结构的抗侧刚度发生突变。
地震作用下，楼层的总水平剪力是按照柱子的剪切刚度大小分配到各柱子上的。
在多遇地震作用下，结构处于弹性阶段，由于穿层柱的长度较长，剪切刚度相对较小，分配到的剪力相对较小，截面不容易出现屈服；相反，由于普通柱的剪切刚度较大，承担了较大的剪力，柱端承受较大弯矩，容易出现屈服。
随着地震作用的逐渐增大，普通柱吸收较大的剪力，其截面首先出现塑性铰，随着塑性铰的出现，柱的剪切刚度随之降低，此时，作用在结构上的总剪力开始更多地分配至穿层柱。
因此穿层柱应按高规表 3.11.2 的“关键构件”进行抗震性能化设计。
本工程穿层柱长 H=8.4m。
根椐混凝土结构设计规范第 6.2.20 条规定，柱计算长度L0=1.25×H=1.25×8.4=10.5m，长细比L0/b=10.5/1.1 =9.55。
根椐混凝土结构设计规范第6.2.15 表内插得稳定系数 φ=0.995，该框架抗震等级为二级。
根椐抗震规范表 6.3.6 柱轴压比限值取 λ=0.85，则穿层柱底部最大轴力应满足 N<φλfcA，设计复核满足要求。
穿层柱纵筋进行中震不屈服验算，柱子箍筋进行中震弹性验算，经核算柱子配筋满足要求。
5 结论以上计算分析结果表明，本工程虽然存在二项不规则，不属于超限高层建筑。
但采用框架-核心筒结构形式比较简单、体型规则。
在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标。
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。
