结合某高层住宅塔楼谈高层建筑结构设计

【摘要】：本文以某多层塔楼高层建筑设计为例，首先介绍了工程概况，然后对其基础进行选型，接着又讨论了其结构体系并根据结构体系选用适当的计算模型进行计算，最后对其计算结果和设计中遇到的问题进行了讨论和分析。

【关键词】：抗浮，超长结构，塔楼，大底盘，嵌固端，模型参数指标

Abstract: In this paper, a multi-storey tower high-rise building design, for example, first introduced the project overview, then the basis for selection, followed by discussion of its structural system and calculated according to the choice of appropriate structural system calculation model, and finally calculated results and the problems encountered in the design discussion and analysis.

Keywords: anti-floating long structures, towers, chassis, mounted side, the model parameters

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1.工程概况

本工程建筑占地总面积为12万平方米，由9个塔楼组成，每栋楼都带有地下室，该建筑为商住两用楼，地下负一层平时作为车库使用，其长度为240米，宽度为100米；最高的三栋为17层，高57.635米；本建筑具备的功能有地下车库、集中空调机房、应急发电机房、水泵房、高底压配电所等设备用房；建筑第一层为园林景观道路，地上部分十一层之下的是居民住宅，屋面以上为机房和屋顶水箱。抗震设防烈度为7度，基本风压为0.5kN/m2，建筑场地类别为Ⅱ类。

2.基础选型设计

通过对该建筑基础进行地质勘察，其基础采用打入式预制桩，荷载较小的车库等低层建筑将地下中粗砂土层作为桩的持力层；而对于荷载较大的17层的高层建筑选用强风化泥质粉砂岩作为桩基础的持力层，由于此土层在地下深层，所以基础桩长度很大，需穿过的其上部的土层较厚，所以工程用D50型号的较重的锤并且对设计桩长和沉桩灌入度进行双控。本工程中桩的长度在16和30米之间，桩径Ф400，其单桩竖向承载力特征值为1200kN；桩径Ф500，其单桩竖向承载力特征值为1750kN。

本建筑的地下室抗浮设计用的地下水面的标高（一般是丰水期的高水位）按照黄海高程2.5米进行计算，其地下车库顶部需有0.8米的土厚，地下室净高为2.95米，顶板厚度为160mm，底板厚度为300mm，均为梁板结构，混凝土强度等级为C35，抗渗标号为S8。设计中，需要保证地下室的抗浮稳定性，本工程采取的措施有：①增加拟建建筑轮廓内部的工程桩的抗浮功能，设置能够抵消土壤中水对结构产生的上浮力的抗浮工程桩；为降低施工难度，在拟建建筑轮廓外部的抗浮桩适宜采用预制桩。通过进行有关的计算得出，本建筑的抗浮桩桩径与其单桩抗浮承载力特征值分别为Ф400（300kN）、Ф500（350kN）。②因为本建筑地下室面积很大，其基础和基坑施工所耗时间也很多，所以必须对其抗浮设计需采取措施：第一，在工程施工时需利用抽水设备抽水将施工所在地的地下水位至少降低至承台下500毫米，使所挖的土始终保持干燥状态；第二，当地下室混凝土浇筑完成之后，地下室主体施工至设计标高6.0米，且非主体地下室顶板覆土不小于每平方米10kN、施工面载小于每平方米10kN的时候，可停止第一条中所说的降水。

由于本建筑结构超长，需对其采取措施：①按照高层建筑设计有关规范的要求，在对地板进行设计时，应该考虑混凝土干缩和施工时水泥水化热等影响因素，采用施工后浇带的方法，在工程中设置了两条横向四条纵向的六条混凝土后浇带，其宽度均为800毫米，同向两条后浇带的距离为30到40米；②地下室外墙和车库顶梁板都采用了无缝施工技术，并且运用了高性能UEA低碱膨胀剂防止收缩龟裂从而使结构达到防水的目的，根据有关规范要求，在纵横方向各设置两条膨胀加强带以提高结构整体防水性，带间距为50—60米。由于本工程施工的建筑是高层建筑，所以完成基础等地面以下工程后，对返还填实的土的质量必须进行严格的控制，以保证建筑基础的稳定。地下室外墙和回填土之间的内摩擦角越大说明回填土越夯实，基础越稳定，抗剪强度也越大。

3.结构体系及计算模型

本建筑的三栋商住楼的结构为框架-剪力墙结构，抗震缝将建筑物分为9个塔楼，并且其结构刚度均匀独立，它们的地下室是相连的，这就使得建筑底盘很大，形成多塔楼大底盘结构。

①地下室嵌固位置：根据高层建筑设计规范和抗震规范的有关规定，当地下室的嵌固位置为地下室顶板时，其结构的侧向刚度必须大于其上部紧挨着的楼层的侧向刚度的2倍，且地下室至少为两层。若不能满足这个要求且不能增加地下室的侧向刚度，就不能选用顶板作为嵌固位置，而需选取其下合适的部位进行嵌固。本工程中由于地下室作为车库使用，其空间面积很大，导致其侧向刚度和水平刚度都不是很大，通过有关的计算分析，工程选用建筑基础底板作为嵌固点。

②多塔结构计算模型：第一种是离散模型，即将塔楼底盘也进行划分，将建筑看做是完全独立的各个塔楼单元，然后分别对其进行计算分析，采用这种模型进行计算由于忽略掉了塔楼之间的相互影响，所以其计算结果往往不够准确，但是整体模型在反应各塔楼的扭转特性上十分困难，且各个塔楼的周期比的计算应该采用此模型；第二种就是整体模型，这种模型将塔楼和底盘看作是一个整体进行计算和分析，所以在建筑设计计算时，凡是采用此模型能够实现的计算都应该优先考虑此模型。

③对于大底盘的措施：本工程建筑的底盘较大，其上部结构对非其本身范围以内的大底盘的有些竖向抗侧力构件影响较大，对其它的竖向构件影响很小，用振型图来判断大底盘竖向抗侧力构件对上部结构的作用，根据相关规定塔楼周围的最大范围在两个水平方向不宜大于其地下室一层层高的2倍。

④本工程中塔楼部分选用的计算和设计模型是离散模型，大底盘地下室选用的是整体模型，对于塔楼底部加强区的抗震构件的选取按照两种模型计算结果中较差的那个进行设计。

⑤应该注意的问题：第一，地下室质量产生的地震作用大部分被室外回填土吸收，但是并没有对其吸收标准做出明确的计算；第二，按照有关规定，对地下室结构中不满足最小地震剪力系数要求的地方没有进行调整，这就导致了结构整体地震作用基底剪力的减小，使得传递到基础的总地震剪力和倾覆力矩偏小。

4.结构计算及分析

在对建筑结构设计完成时，需对设计的合理性进行验算，本工程主要采用电算的计算方式，电算结果如表1所示。

对电算结果进行分析可知，建筑的结构刚度中心与建筑截面的几何中心偏离不大，偏心弯矩对基础的影响不大，剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩大于结构总底部地震倾覆力矩的1/2，结构的自振周期、位移值以及振型曲线都没有超限(见表1或如图1、图2所示)，两个方向的竖向刚度较均衡，结构扭转很小，计算结果较为合理。

图1地震作用下特征阵型示意图

图2地震作用下位移曲线示意图

本工程设置中出现的问题，经过多次电算可知，①根据整体弹性内力、构件塑性设计原理对竖向荷载下框架梁端负弯矩进行降低的幅度要适当增大，调幅系数取0.8—0.9，这样在地震作用下梁端较易出现塑性铰，可吸收一部分地震作用；②为避免主梁承受过大的扭矩引起超筋超限，需适当减小梁的抗扭刚度折减系数，根据工程实际情况，适宜取0.5—0.65；③由于高层建筑需进行施工模拟计算，计算结果显示，与筒体相近的柱下轴力不够大，柱与筒体之间的梁配筋较大，并且随着高度的增大此现象更突出，最终导致截面超筋，和实际情况相差较大；④在框架剪力墙结构中，剪力墙主要承受水平作用下的剪力，但是这样导致了剪力墙的数量增加从而增加了结构刚度和地震作用，且这种结构耗费资金过大，此外，剪力墙的长度很大，且有相当强的翼缘与之相连，导致配筋过大，克服这个问题的方法是对部分墙肢人为地开施工洞，将其分为几段并连的小墙肢，从而合理分配各个墙肢的剪力，并且避免了超筋现象的出现，达到有关规范的要求。

【参考文献】：

［1］陈岱林，李云贵，魏文郎.多层及高层结构CAD软件高级应用.中国建筑工业出版社

［2］高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计.中国建筑工业出版社

［3］沈蒲生.高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。