某复杂高层商住楼结构设计技术措施

摘要：高层商住楼的主楼与多层裙房两者的单柱荷载相差很大，其桩基础分别采用不同桩端承载力的持力层，可以有效控制两者的沉降差：带转换层的多塔复杂高层商住搂，结构分析需要对单塔、角部框支柱予以补充计算；设置与框支粱垂直的截面刚度较大的抗扭梁，能有效的抵抗框支梁受到的平面外扭矩作用。

关键词：复杂高层　结构分析　抗扭梁　技术措施

中图分类号：TU972

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2011)01-0121-03

1、工程概况

本工程位于长沙市，由三栋高层商住楼组成，地下2层，裙房2层，主楼1栋为27层、2～3栋为32层，建筑高度99.20m，建筑面积为105850m2。地下室为人防设施、停车库及设备用房，1～2层为商业用房，3层为架空层，4层以上为住宅。其透视图如图1所示。

设计条件：建设地点：长沙市；建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为六度，设计地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组；建筑场地类别为ll类，地基基础设计等级为甲级，各土层均不考虑砂土液化：重现期100年的基本风压值为0.40kN／m2，地面粗糙度为c类，风荷载的体型系数为1.3。

2、地基与基础

根据地质报告，场地的土层分布基本情况详表1所示。

根据地质情况，确定采用人工挖孔桩，裙房以强风化粉砂岩、主楼以中风化粉砂岩为桩端持力层，两者的桩端承载力特征值分别为2200kPo、3800kPa。地下室设计水位标高，相当于室内地面标高以下6.90m(即地下室底板上部1.5m)，须考虑1.50m的抗浮设计水位。本工程采用基础底板本身自重、裙房顶板覆土、桩基础扩底进行抗浮设计。

主楼与多层裙房的单柱荷载相差近15000kN，两者的沉降量不同，裙房与主楼的桩基础采用桩端承载力不同的持力层。利于控制沉降差。在靠近裙房一侧设置后浇带，后浇带设置在距主楼边柱的第二跨内。后浇带的混凝土须待主楼封顶，且根据沉降观测结果证明主楼的沉降趋于稳定、经计算的后期沉降差能满足设计要求后方可进行浇筑。为掌握工程在施工期间、竣工后一段时间内的沉降和稳定情况，沉降观测每三层观测一次，最近一次是工程竣工后十个月进行的。通过分析近二十次的观测数据，没有发现所观测桩基础有较大沉降、严重不均匀沉降等异常情况。累计沉降量最大点的沉降值为13.8mm、最小点的沉降值为8.4mm，所有观测点的平均沉降量为11.2mm。沉降量最大点与最小点的沉降差为5.4mm，小于0.0D2L(L为两相邻沉降观测点之间的距离)。根据观测所得的实际沉降量、沉降差数据来看，本工程的沉降观测结果正常，沉降差符合《建筑地基基础设计规范》(GBS0007-2002)的要求。

3、结构分析

3.1　结构选型

本工程为商住楼，各部分功能用房分别为地下车库、商业用房、住宅。为满足建筑的使用功能需求，选用框支一剪力墙结构体系，转换层设置在3层架空层(即裙房屋面)。该工程为带转换层的复杂高层结构，采用框支梁转换上部住宅的剪力墙。

3.2　抗震设计方面的问题

本工程的大底盘多塔的各塔楼质量和刚度分布不均匀，且在平面布置上又不对称于大底盘，在地震作用下结构扭转振动反应较大。大底盘顶层楼盖起着协同各塔楼共同工作的作用，而转换层设置于该层，故此处也为结构上下刚度突变处。理论分析和试验结果均表明，在地震作用下，裙房顶及上一层是最先破坏且破坏最严重的位置。为保证结构的抗震性能要求，结构整体力学分析与抗震性能分析应选择合理的计算模型，以找出可能出现的薄弱部位，并在设计中采取构造加强措施提高其抗震能力。

3.3　结构整体计算

结构整体动力分析，采用中国建科院开发的SATWE和TAT两种不同力学模型程序，TAT主要作为校核程序。

本工程为非对称的多塔结构，由于存在双向偏心，在自由振动条件下结构存在平扭耦连振动。因此，结构计算时，除考虑双向地震作用外，还需要考虑平扭耦连计算结构的扭转效应。本设计采用的计算振型数为45，计算得到X、Y方向的振型参与质量系数分别为95.3％、97.1％。通过对结构整体空间振动简图与振型图分析可知，结构整体扭转不明显，未出现整体结构扭转振型特征。由于本工程为框支一剪力墙复杂结构且具有一定的高度，故结构竖向荷载加载方式按模拟施工和一次性加载两者加载模式分别计算。实际结构竖向荷载加载方式与计算模型中单纯的模拟施工和一次性加载均有所不同，故实际配筋取用模拟施工时的计算结果，并参考一次加载计算结果适当予以放大。

3.4　单塔计算

假定裙房与主楼楼板连接薄弱部位发生破坏，裙房与主楼都可以成为独立的抗震单元，在每个单元内部都有足够数量的钢筋混凝土抗震墙，能形成明确的、独立的结构抗侧力体系，保证结构整体安全。三个塔楼单元须各自另建计算模型，作为整俸模型计算结果的补充校核，满足“大震不倒”的设计原则。

加强转换层下部的结构刚度，本工程1～3栋的转换层上、下结构的等效侧向刚度比分别为0.95、0.97、0.93。

3.5　角柱补充计算

由于角部框支柱受力特别复杂，角部扭转效应明显，因此角柱须按抗震设防烈度提高一度为七度、抗震等级提高为一级进行专门计算一次，提高其抗震能力，确保结构安全，但须注意该结果仅限用于角柱的配筋。

4、结构抗扭设计

结构的扭转效应应从两个方面加以限制：1)限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应；2)限制结构的抗扭刚度不能太弱。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期T1与平动为主的第一自振周期T1之比。当两者接近时，由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显。抗震设计中必须采取措施减小T1／T1的比值，使结构具有必要的抗扭刚度。

由材料力学知识可知，抗扭构件离质心越远，其抗扭刚度越大。对于一般的结构工程，要控制结构的扭转效应，按以下构件布置原则：一是增加建筑物周边构件刚度，而降低内部构件刚度；二是在结构布置时尽量减小质心与刚心的偏心率。

针对本工程平面布置情况，在设计中采取了如下措施，以增加其抗扭刚度：

1)剪力墙根据建筑交通核心筒及隔墙的分布情况，按照“均匀、分散、对称、周边”的要求布置，以使结构整体有较好的抗侧移能力和抗扭转能力。尽量加大周边剪力墙的刚度，将上部标准层的角部剪力墙墙肢加长，尽量形成L、Z、T等形状，内部剪力墙厚度取用200mm，而将离质心较远处的周边剪力墙厚度增加到240mm，使质心与刚心的

偏心率得到改善。

2)加强建筑物周边结构梁，将凸窗处结构梁加高至窗台面：在各楼层的凸凹不规则处设拉梁，每隔四层在凹口处局部用混凝土拉板连接，增加结构的整体性，以利于传递水平地震作用。

3)剪力墙的门窗洞口上下对齐，形成明确的墙肢和连梁。

4)结构平面突出部位的结构梁予以适当加高，以便于增加结构的整体性。

综合应用上述措施，通过多次“建立模型一试算一调整模型”的过程，使质心和刚心尽量重合，有效收敛结构的扭转效应。其计算结果以1栋为代表：平动为主的第一自振周期T1=2.29s，扭转为主的第一自振周期T1=1.73s，周期比T1／T1=0.76；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值最大值在3层，其比值分别为1.19、1.18。以上结果符合《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3―2002)的有关规定。

5、框支梁的平面外抗扭梁设计技术

一般情况下，设计假定剪力墙平面外抗弯刚度为零或很小，框支梁与上部墙体截面中心线宜重合；此时计算模型与结构实际受力状态基本一致，计算结果正确可靠。

若框支梁与上部墙体截面中心线不重合，例如建筑物周边的剪力墙偏轴布置在框支梁上，将使框支梁受扭。在框支梁的设计中，框支梁的截面尺寸通常由端部抗剪强度控制，如果再叠加上部剪力墙偏心产生的扭矩，就会导致框支梁在剪力和扭转作用下的剪压比大于限值，对结构安全不利。从结构稳定的角度看，框支梁的失效往往是从梁的受压区失稳、梁侧翻开始的，因此在临界荷载作用下框支梁受到任何初始扭矩都会引起失稳。从概念设计的角度可以设想，一旦遭遇到地震作用，框支梁在侧向大位移的状态下，其平面外扭矩会使框支梁失效，因此必须采取结构技术措施予以解决。

5.1　框支梁平面外抗扭梁的工作原理

要消除框支梁受到偏轴产生的扭矩影响，可以从控制框支梁的关键部位出平面变形尤其是角变位人手。如果角变位得到控制，也就意味着在一榀框支梁内，各构件本身在与框支梁平面垂直方向上的应力、应变均匀分布，与有限元分析时的平面假定保持一致。克服角变位有效而简单的手段，就是在框支梁受到扭矩集中作用的节点处，沿扭矩方向布置刚度较大的抗扭梁，用以平衡扭矩，控制变形。

5.2　抗扭梁的作用

设置与框支梁垂直的抗扭梁，能有效地抑制框支梁的侧翻转角，相应地减小框支梁受到上部剪力墙偏心布置产生的平面外扭矩带来的附加应力，减少框支梁两端扭一剪联合作用的程度，使墙一梁平面假定有限元计算结果更可信。本工程采用的抗扭梁截面尺寸为400×1200、500×1200，其截面刚度较大，能有效的起到抵抗框支梁平面外扭矩的作用。

抗扭梁实际上是一梁多用，它还起到减小楼板跨度，缓解楼板内力，让楼板有更多的储备去抵抗转换层内剪力的作用。

5.3　抗扭梁的近似计算方法

通常将框支梁的偏转节点作为整体结构的一部分，当不同位置偏转节点的偏转方向出现正、反参差分布时，其所产生的侧移大多数会互相抵消，这种情况也就为采用无侧移的力矩分配法提供了条件。以偏转节点为中心，近似判断出与该偏转节点相连的抗扭梁及其它构件的抗扭转刚度的上、下限值，从而计算出由扭矩引起的附加内力值。计算得出附加的位移及内力值，应独立于主体结构的计算结果。附加偏心扭矩为主体结构计算所得的偏心构件竖向力组合值与偏心距的乘积，由此算得的各杆件附加内力能体现结构的各种荷载联合作用。它与主体结构计算结果叠加所得的结果可以用来设计构件。

6、构造处理技术

6.1　大跨度异形板的构造处理

本工程上部住宅采用大开间剪力墙布置方式，留出了很多大尺寸空间以适应住户的不同需求。这些大尺寸空间既可作为宽阔的客厅，又可以灵活隔断，自由分隔为小户型。为了保证空间整体性和适用灵活性，建筑专业要求在这些大尺寸空间中不要布置结构梁，由于其基本上不是方形规整的平面空间，这样就产生了大跨度异形板(跨度从5.7～6.9m不等)，而该板上可能会布置轻质隔墙，荷载情况较复杂。经计算分析发现异形板内凹的阳角处板面应力集中情况相对突出，故在这些部位的板面须设置双向钢筋以覆盖板面应力集中区域：异形板的异形分界处设置宽度1000mm的暗板梁；适当增加大跨度异形板厚度。通过以上措施以避免楼板出现裂缝，确保其安全使用性能。

6.2　“芯柱”的构造处理

本工程的框支柱受力大而导致截面较大，形成了净高与截面高度之比≤4的柱，而当柱的剪跨比λ=M：Vh≤2时，该柱成为短柱。当发生地震时，短柱的破坏形态为脆性的剪切受拉破坏，无明显征兆。为提高短柱的抗震性能，可以采取的方法有：1)提高混凝土强度等级，在轴压比不变的前提下相应减小柱截面尺寸，使其成为普通廷性柱；2)采用复合螺旋箍筋提高延性；3)采用分体柱变为普通柱；4)采用钢骨砼柱或钢管砼柱提高延性；5)采用芯柱提高延性等。

本工程采用“芯柱”的构造措施来加强框支短柱。芯柱的构造方法是在柱截面中部三分之一的核心部位设置纵筋和箍筋，即形成柱内部加强区域，从而形成柱的内、外两套配筋体系：芯柱的附加纵筋面积按柱截面面积的0.8％取用，该钢筋不计入柱的配筋率内。

芯柱的作用原理：弯矩对核心区钢筋的影响小，利用柱周边钢筋抵抗柱承受的弯矩作用，即使混凝土保护层开裂剥落，周边钢筋和混凝土的粘结削弱，而中部芯柱的钢筋和混凝土之间仍具有良好的粘结作用，芯柱部位的钢筋不会发生压曲；即使混凝土失效，核心钢筋形成的芯柱仍能抵抗竖向荷载。在遭到罕遇大地震时，采用“芯柱”的构造措施，既可以提高短柱的受压承载力，又可以提高其压缩变形能力，即提高了短柱的延性和耗能能力，相当于对受力不利的短柱增加了一道防护措施，有效地改善了它的抗震性能，确保其在大震时的安全。

7、结束语

7.1　通过合理布置剪力墙，收敛结构的扭转效应，达到减小结构扭转的目的。

7.2在结构布置时，上部住宅采用大开间剪力墙，这样能有效地减小上、下结构刚度比，又便于下部结构大开间的框支柱、框支梁布置；但大开间形成的大跨度异形板以及下部框支柱，必须根据其特点，对其进行有针对性的计算分析，并采取有效的构造措施，方能确保其结构安全。

7.3　框支梁受到偏心力作用时，不能忽视它受到的平面外扭矩作用：通过设置抗扭梁能克服框支梁受到的大部分扭矩作用，而其余部分需要综合利用框支梁本身较大的截面抗扭刚度、加强框支梁的纵向抗扭腰筋、加强转换层结构板厚度及配筋、采用预应力技术等，方能有效彻底地解决。

参考文献：

[1]建筑地基基础设计规范GB50007-2002，北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]建筑抗震设计规范GB50011―2001(2008年版)，北京：中国建筑工业出版社，2008.

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[5]蒋国旺，平面不规则的某高层建筑物结构设计，中外建筑，2006，2：84-85.

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