阐述高层结构设计措施及计算分析

摘要：对于我国现阶段建筑业的发展进程来说，建筑工程结构的类型与功能设计越来越趋于复杂及多样化，特别是城市高层建筑物的聚集度急剧增长，对其结构体系和形式要求也更趋复杂。本文结合以下工程案例，针对该工程结构设计方面做出了探讨。

关键词：高层建筑；结构设计；加强措施

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：

1工程概况：

此高层建筑工程用地面积189 207m2，建筑总面积为549367m2。小区由4组L形板式高层住宅、2座塔式超高层住宅和临海多层联排别墅组成，4组L形板式高层住宅地上33层，地下2层，建筑高度均为99.75m。此建筑工程结构设计的建筑体型新颖独特，结构竖向布置复杂，存在抗震薄弱部位。工程地处7度抗震区，且设计地震分组为第三组，与常规的设计地震分组第一组相比，地震作用增大25.38% ，且建筑立面体型复杂，结构设计需充分考虑抗震设计的基本要求。

2 结构类型和基础设计

2.1 结构单元划分

结构包括4组L形单元之间通过设置5条结构缝分开(见图1)。各L形结构单元地下部分通过地下室连为整体(地下室不设结构缝)。每组L形单元地上建筑分为3个独立的结构单元：①结构单元1：A块体+B1块体+D块体；②结构单元2：B2块体+C块体+E块体；③结构单元3：连接结构单元 1和结构单元2的天桥D1块体，如图2所示。

图1 L形单元间结构缝 图2 结构单元划分

2.2 结构形式选择

除转换桁架采用钢结构外均采用钢筋混凝土结构(部分构件采用型钢或钢管混凝土结构)。

3 结构超限情况及加强措施

按《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，根据本工程的结构平面、竖向布置，以及结构分析计算结果，本工程存在超限情况及针对超限情况采取的加强措施如下。

3.1 偶然偏心下扭转位移比＞1.2加强措施

采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法计算结构的地震作用效应(并按双向地震下的内力和位移进行控制)，并对扭转位移超限部位的结构构件(框架梁柱和相邻的剪力墙)采取内力放大、配筋加大等措施。

3.2 相邻层加强措施

15～18计算层楼层地震力按规范要求进行放大，并对15～20计算层的结构构件采取加大配筋等加强措施。

3.3 立面加强措施

相应退台部位楼层的地震力放大15% ，并对退台部位的结构构件采取配筋加大等构造加强措施，退台部位框架柱的承载力提高1.5倍。

3.4 构件间断，有转换桁架加强措施

严格控制转换层上下的剪切刚度比，对转换桁架及临近楼按SATWE、ETABS分别计算并取包络进行设计，转换桁架支座剪力墙的配筋适当加强，比计算结果放大10%，近转换桁架的剪力墙端柱采用钢管混凝土，并设定抗震性能目标进行设计。桁架转换层及其上下楼层的楼板加厚为150mm、配置配筋率≥0.25% 的双层双向钢筋。采用PMSAP程序对转换层的杆件、板进行有限元分析计算，复核配筋。支撑转换桁架的带钢管混凝土端柱的L形、T形剪力墙的抗震等级按一级采用抗震措施。转换桁架的上弦杆、下弦杆、端斜杆均向支座剪力墙内延伸一跨。

4 结构计算分析

4.1 计算分析程序和主要参数

采用的计算分析程序：结构整体分析采用三维空间分析软件SATWE，并采用ETABS程序进行校核分析。SATWE、ETABS整体分析计算方法和主要参数：①采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法计算结构的地震作用效应；②计算分析转换桁架时桁架上、下弦处楼层采用弹性板假定，以求得桁架上、下弦的轴向力；③恒、活荷载计算时考虑模拟施工加载；④地震力调整系数1，构件内力调整系数根据抗震等级按相关规范的要求取值；⑤结构构件抗震等级：除支撑转换桁架的带钢管混凝土端柱的L形、T形剪力墙采用一级外，其余框架、剪力墙均采用二级。

4.2 整体结构计算结果分析

1)对于整体结构计算结果表明：通过调整抗侧力构件的平面布置及截面尺寸，各结构单元的结构特性、大部分计算指标和构件配筋、应力验算结果基本能满足现行相关规范、规程的要求。本工程结构质量在1层、桁架层(17、18、19层)和屋面层出现突变。结构单元1具体分析如下：1层质量大于0层：0层上空设有骑楼，楼板有大面积的开洞，楼板及隔墙荷载减小较多，故1层的楼层总质量小于2层的总质量。17层(桁架下弦层)质量大于16层；18层(桁架上弦层)质量大于20层: 转换桁架下弦层(17层)、转换桁架中间层(18层)楼层面积大幅增加，楼层总质量也大幅增加，转换桁架上弦层(20层)屋面位置有较重的覆土层(屋顶花园)，质量较大。屋面层质量大于其下层：屋顶层有覆土，并且结构单元3的荷载传到该层，使得该层的荷载增加特别明显。由于结构单元1为层层退台建筑，各楼层质量随着层数的增加沿竖向有减小的趋势。结构楼层质量出现局部突变，施工图设计时除根据结构计算分析结果进行配筋外，对出现质量突变的楼层及其相邻楼层，拟采用对剪力墙，框架梁、柱采取配筋构造加强措施(如适当增加框架柱纵筋和箍筋，剪力墙墙身竖向和水平分布筋、边缘构件纵筋和箍筋，框架梁的箍筋等)。

2)由于建筑结构的特殊性，结构计算结果存在以下问题：①两向平动周期(x、y向第一平动周期)相差约20%，表明结构两个主轴方向刚度有一定差异，其原因是由于建筑户型需要: 框架柱采用长方形柱截面，且柱截面较长方向沿建筑较长方向布置，增加了建筑较长方向的刚度。②SATWE计算结果显示：17计算层与18计算层(转换桁架下弦层)的侧向刚度比＜70%，最不利仅为29.1%。经分析，其原因是SATWE程序将18层抗侧刚度分别与17层两个塔块的侧刚度相比引起的，如将18层抗侧刚度与17层两个塔块的抗侧刚度之和相比，则抗侧刚度比最不利为58.1%。ETABS 的计算结果也验证了上述分析结论。③SATWE计算结果显示：17计算层与18计算层(转换桁架下弦层)的楼层抗剪承载力之比均＜80%，最不利仅为25%。经分析，其原因是SATWE程序将18层楼层抗剪承载力分别与17层两个塔块的楼层抗剪承载力相比引起的，如将18层楼层抗剪承载力与17层两个塔块的楼层抗剪承载力之和相比，则抗侧刚度比最不利为52.8%。ETABS的计算结果也验证了上述分析结论。④SATWE计算结果显示：18计算层(转换桁架下弦层)与19计算层( 转换桁架中间层) 的楼层抗剪承载力之比＜80%，最不利仅为9%；18计算层与19计算层的侧向刚度比＜70%，最不利仅为29%，表明桁架中间层刚度比桁架下弦层刚度大得多。这可能是由于程序计算楼层承载力因斜杆的存在而产生一定的误差。经核查：相应方向的结构楼层(18、19层)位移很小(楼层层间位移角基本为1/9999)，可以认为该刚度的突变对结构的影响不大。⑤SATWE 计算结果显示：18、19层同时为薄弱层和软弱层；⑥PMSAP弹性动力时程分析：以结构某单元为例采用PMSAP程序进行弹性时程分析，计算结果与CQC法分析结果基本接近，未出现明显突变。

5 结语

由于开发商及建筑师对平面功能、立面美观新颖等方面的要求，本工程成为扭转不规则、竖向构件不连续(大跨高位转换)、抗剪承载力突变的一组复杂高层建筑。在结构设计中，采用基于性能的抗震设计和基于能力的转换结构设计方法对该超限高层建筑进行了抗震分析设计，应用PMSAP、ETABS等分析软件对整个结构在不同地震作用下的反应进行计算和分析，得出结构的基本特性和受力情况并对结构进行完善设计。