刍议高层结构设计

【摘 要】文章通过工作实践并结合相关资料，以某高层建筑结构为例，对结构在地震作用下的扭转不易控制的特点，介绍了结构方案的决策过程，采用多个程序对整体参数进行了比较，无明显差异。对整体结构进行了弹性时程分析，计算结果表明均能满足规范要求。

【关键词】扭转不规则；结构分析；弹性时程分析

一、工程概况

本工程处某市A区副中心，设计为高档精装纯住宅楼，地上45层，层高3.2m，总高度144.2m.总面积约为582109m2，地下2层半，设有人防车库。地下室及裙房采用框架结构，柱网尺寸8.1×8.1～8.7m，楼盖采用井字梁体系，一般柱截面为600×600 mm，框架柱混凝土强度等级为C50～C40，框架梁截面350×600及500×850 mm。地下一层板为计算嵌固端，板厚取180 mm，地下一层顶板作为绿化与消防车道层，板厚取150 mm，其余板120mm。塔楼采用剪力墙结构，根据剪力墙重力荷载代表值的分布情况，以一级剪力墙轴压比限值0.5为依据，剪力墙厚从500～200 mm，混凝土强度等级从C60～C30。基础形式为筏基，主楼范围筏基厚度为2.2 m，裙楼筏板厚度为1m，并设置抗浮锚杆以解决抗浮问题。该工程的抗震设防类别为丙类，剪力墙、连梁、框架柱、框架梁抗震等级均为一级，地基基础设计等级为甲级。

二、结构布置

由于房屋高度属B级，且等效高宽比接近9.0，长宽比接近3.0，结构在地震作用下的扭转不易控制，结构布置时在房屋周边护墙位置尽量布置剪力墙体并利用卫生间的窗台设置高连梁，在房屋中部减少剪力墙的布置量（如楼电梯间附近），以提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，结构平面布置见图2。为了不影响建筑房间内部使用功能及美观效果，部分连接房屋下部较厚剪力墙之间梁的宽度未做成与剪力墙同宽，高连梁楼板以上为200mm，下部同剪力墙宽。

主体结构弧形阳台采用悬挑梁方式，边梁统一取500 mm高，个别悬挑跨度较大的梁采用变截面方式，悬挑梁宽度大于内部墙厚时梁宽不延伸至墙内，多余的悬挑梁上部钢筋采取构造措施在板内或墙内锚固。剪力墙底部加强区高度取到七层楼板顶面。楼板采用现浇钢筋混凝土板，悬挑阳台板100 mm，厨房、卫生间板100 mm，大屋面板120 mm，其余板根据跨度及受力大小取100～160 mm。

三、结构分析

1、结构的弹性整体计算分析

本工程采用中国建筑科学研究院编制的SATWE程序进行弹性整体计算，并采用PMSAP程序进行校核。结构计算考虑偶然偏心和施工模拟，考虑了双向地震作用。计算时于地下一层楼面加侧限并向下计算至地下三层。

场地特征周期取Tg=0.40 s，多遇地震影响系数最大值取αmax=0.083，其它地震参数均按规范取值。基本风压取成都地区100年重现期的风压值0.35 kN/m2，地面粗糙度按B类考虑。SATWE和PMSAP整体计算主要结果见表1，通过对这两种不同力学模型计算程序的计算结果分析对比，其主要计算指标接近，无明显差异。

（1）主楼的第一扭转周期与第一平动周期之比均小于0.85，满足《高规》4.3.5的要求。各栋楼的有效质量参与系数均大于90%，表明所取的振型数足够。

（2）风荷载作用下层间位移角均

（3）在考虑偶然偏心的地震荷载作用下，最大扭转位移比分别为1.29，属于扭转不规则平面，但均小于1.4，满足“高规”4.3.5条“B级高度建筑不应该大于该楼层平均值的1.4倍”的要求。

（4）薄弱层的说明：经计算，第1～2层由于住宅大堂的原因，楼板有削弱，局部有连层剪力墙，因此这一层的层刚度比较小，因此在施工图设计中指定第1～2层为薄弱层进行分析设计。

（5）剪力墙的最大轴压比均小于0.5，满足《高规》轴压比限值。

2、多遇地震下弹性时程分析

本工程采用中国建筑科学研究院编制的弹性动力时程分析程序进行多遇地震下弹性时程分析，选用了《场地地震安评报告》提供的拟建场地二组场地人工地震波和一组Ⅱ类场地上的地震波加速度时程曲线，计算结果表明：每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法的80%，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）[1]第3.3.5条的要求。施工图可采用两者较大层剪力进行构件截面设计。

四、超限情况

该工程已通过超限高层抗震设防专项审查，并按审查意见进行了相关施工图设计。主要超限项目如下：

（1） B级高度的超高层建筑：（2）扭转位移比大于1.2且小于1.4；

（3）楼板不连续：仅在1～2层大厅处去掉了部楼板，不满足楼板连续的要求。

五、加强措施

加强底部加强区特别是地面以上1～2层的结构设计，底部加强区墙体最小配筋率提高到0.3%，地上1～2层的约束边缘构件配筋率由规范限值的1.2%提高到1.3%，严格控制加强区剪力墙的轴压比不超过0.5。

六、结 语

（1）根据本工程扭转不易控制的特点进行合理的结构平面布置，形成内柔外刚以控制扭转及位移比，使得剪力墙能够物尽其用，充分发挥材料的性能。

（2）经计算，第1～2层由于住宅大堂的原因，楼板有削弱，局部有连层剪力墙，因此这一层的层刚度比较小，因此在施工图设计中将指定第1～2层为薄弱层进行分析设计，并对此部位竖向构件进行加强。