某高层建筑的结构选型与概念设计

摘要：根据规范结合工程实际对在PKPM中如何实现两种结构体系的控制点的应用并对计算结果进行分析。进一步认识这两种结构体系设计时相关的控制点:刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数以及其调整过程。探讨得出框剪结构剪力墙设置过多，会导致结构刚度过大，从而使地震效应加大的结论。

关键词：框架剪力墙；短肢剪力墙；结构选型；抗震性能；SATWE

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

引言

结构工程在建设项目是非常重要的,因为一般建筑工程成本中结构部分所占比重占总造价的主要部分，而结构工程中结构选型是主要影响因素 ,一旦选择不当,将很难实现精确的计算,甚至对结构耐久性及安全性带来无法弥补的缺陷. 建筑物进行良好的选型设计即进行抗震设计对于抵抗和防止地震危害具有重要的现实意义。

1工程简介

重庆地区某幢办公写字楼，27层，层高为3.m，建筑物总高78m，长44m，宽17m，平面较规则，每层面积748m2，总面积20196m2，抗震设防烈度为6级，地震加速度为0.05g，50年一遇基本风压为0.4KN/m2，结构重要性系数为1.0，场地类别为Ⅱ类，地基土为三类土。设计中采用多层及高层建筑结构三维分析与设计软件程序SATWE，对以下拟采用的结构方案进行了计算和比较。

2 拟采用结构形式及其设计基本原则

2.1.框架剪力墙结构

框剪结构体系结合了剪力墙结构稳固以及框架结构布局灵活的优点。这种结构体系主要由柱子来承受竖向荷载，通常在结构边角处以及楼梯间处布置一定数量的剪力墙并主要由这些剪力墙来提供结构的刚度和抵抗水平荷载的能力。

2.2短肢剪力墙结构

短肢剪力墙结构是适用建筑要求形成的特殊的剪力墙结构，根据建筑平面布置，在建筑物凹凸转角处布置各种形式的短墙肢，主要形式有：T型、十字型、L型、Z型、一字型、Y型等（这样可增加短肢墙抗扭和出平面外稳定）。因采用这种结构体系时，将中部的电梯间、楼梯间和管道井四周的剪力墙组成筒体结构，四周布置短肢剪力墙，也可根据需要布置一些长肢墙，所以结构布置极为灵活。

2.3普通剪力墙结构

本方案的特点是依据建筑平面布局设置钢筋混凝土抗震墙，对较长的墙开结构洞将其分为联肢墙，使各墙段的刚度均匀，由于抗震墙较多，可以构成整体抗侧力很强的体系，对较高建筑抗震特别有利。但若房屋高度不大，反而会造成因刚度过大而招致较大的地震作用，而且造价也会增大，并非是理想的方案。

3计算结果的比较分析

本工程用SATWE建模计算。框架剪力墙结构结构柱尺寸为1100×1100mm，两端剪力墙厚度约250mm；短肢剪力墙结构中介设置约肢长1000mm长厚度约220厚短肢剪力墙，两端剪力墙厚度约180mm，标准层平面分别如下：

框架剪力墙结构 短肢剪力墙结构

计算所得数据如下表：

4计算结果分析

(1)从地震基地下剪力及地震倾覆力矩两项指标来看，框剪结构均大于短肢剪力墙结构。说明短肢剪力墙结构引起的地震作用较小，较有利于抗震，分析可能是由于框剪方案中剪力墙较厚较多从而招致了较大地震作用。

(2)周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大(相对于侧移)的扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，见新《高规》第3.4.5条及相应的条文说明。两方案均满足规定：“结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1 之比，A级高度高层建筑不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85”的要求，且短肢剪力墙结构周期比略小于框架剪力墙结构，说明本方案短肢剪力墙结构的扭转效应较小，结构抗侧力构件布置较合理。

(3)最大层间位移角是用来控制结构的侧向刚度的，从上表可以看出本工程中两方案均满足规范规定，框架剪力墙位移角小于1/800, 短肢剪力墙结构小于1/1000，且短肢剪力墙结构的最大层间位移角较小，说明其侧向刚度较大！

(4)位移比主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，见《抗规》第3.4.2条，《高规》JGJ3-2010第3.5.3条、3.4.5条及相应的条文说明。从上表可以看出两方案位移比都满足规范规定：“楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍”，且相差不大，结构平面布置规则性差不多。

(5)最小楼层抗剪承载力之比主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变，形成薄弱层，见《抗规》第3.4.2条和《高规》JGJ3-2010第3.5.3条及相应的条文说明；对于形成的薄弱层应按《高规》第5.1.14条予以加强。从上表可以看出本方案中两方案均满足规定：“不宜小于其相邻上一层受剪承载力的0.8,不应小于0.6”，且短肢剪力墙结构的最小楼层抗剪承载力之比略小，说明其竖向布置的规则性较好。

(6)刚重比主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌，见《高规》02版第5.4.1条和第5.4.4条及相应的条文说明。从上表可以看出两种结构形式刚重比EJd/GH**2大于1.4，能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算，刚重比EJd/GH**2大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。

(7)刚度比主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层，见《抗规》第3.4.2条，《高规》第4.4.3条及相应的条文说明；对于形成的薄弱层则按《高规》第5. 1.14条予以加强。从上表可以看出两种结构形式刚度比相同，且能满足规范要求的：“抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%”。

从经济性上进行分析，粗略估计，两方案钢筋及混凝土用量差不多；从适用性，美观性上分析，本方案中框架结构柱截面较大，突出墙体较多，而短肢剪力墙结构则更利于房间的布置，而且较经济。经以上分析该工程采用短肢剪力墙结构较好。

5结论

本文主要以一工程实例，探讨了设计主要控制点在PKPM中的应用并对SATWE输出结果进行分析。进一步认识结构设计时相关的控制点:刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数以及其调整过程中彼此相互关联涉及构件截面、刚度及平面位置的改变情况。在分析中我们还可以得出以下结论：（1）在框剪结构中，如果剪力墙设置过多，会导致结构刚度过大，从而使地震效应加大，结构内力增大，也同时使框架不能充分发挥作用。（2）短肢剪力墙结构中剪力墙肢可短可长，剪力墙的数量可少可多，主要根据抗侧力的需要而定，还可通过不同布置和尺寸以调整刚度以及刚度中心的位置；由于剪力墙数量减少了，而代之以轻质填充墙，不仅可使房屋总重量减轻，同时也可使结构刚度适当降低，使地震作用减小，这不仅对基础的设计有利，而且对结构抗震也较为有利，同时还可降低工程造价，故应是80m左右高层结构设计时优先选用的一种结构体系。

参考文献：

[1] 建筑抗震设计规范 ( 2008版) [s]，GB5001-2001。中国建筑出版社，2001

[2]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件[R]，2008。

[3] 高层建筑钢筋混凝土结构技术规程[s]，JGJ3-20:10。中国建筑出版社，2010

黄波（1985-）、男、助理工程师、硕士、结构动力、稳定及非线性研究