高层结构分析与设计

【摘 要】随着高层建筑的不断涌现,高层建筑结构设计逐渐成为结构工程师设计工作的主要重点和难点所在。本文从工程实例出发，对主体结构的选型，分析了结构抗震的加强措施，对结构的整体进行了计算分析，根据工程特点选用经济合理的结构体系。设计过程中与建筑师密切协调，使结构方案既要满足结构要求，又要为业主提供较好的经济性。在超高层结构设计中，更应注重抗震概念的设计，从总体把握结构的抗震性能，加强抗震构造措施。

【关键词】高层建筑；结构分析；抗震；设计

1 工程概况

某商业建筑地上34层，由2个塔楼和4层裙房组成，建筑总长118.2m，宽61.2m，主体高度129.3m，总建筑面积为123945m2。地下2层为车库， 1～4层为展厅、餐厅、多功能会议室、活动室等；5～34层为办公楼，顶部局部为水箱和电梯机房。抗震设防烈度为7度，场地土的特征周期为0.35s，对应设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组。

根据建筑使用功能的重要性分类，工程建筑抗震设防类别为标注设防类（简称丙类）。建筑场地类别为Ⅱ类。

2 主体结构

2.1 结构选型

两座塔楼主体高度超过120m高，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）并考虑建筑功能及经济的原因，主体采用框架-核心筒结构类型，裙房采用框架结构。由于建筑1～4层楼面开大洞，且开洞每层均不相同，这样导致结构平面布置不均匀、不对称，属于平面不规则结构；楼层上下开洞不对照等造成竖向构件不连续，属于上下不规则结构；经电算楼层的最大弹性水平位移，大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍。综上所述，工程属于特别不规则结构，工程需要超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

后经研究发现楼板开洞均在裙房的中部，于是和建筑人员协商在不影响其使用功能的前提下，设置两道150mm宽的抗震缝,把工程分成三个独立的结构计算单元，中间为平面不规则的多层框架结构，两侧为带有一般四层裙房的框架-核心筒结构。经此调整，结构平面得到极大的简化，分化后的独立结构计算单元转效应减少很多，并使结构在两个主轴方向具有合理、相近的抗扭刚度，每部分均在现行规范的范围，不再需要超限抗震审查。

2.2.1 提高重要部位构件的抗震等级：主楼底部加强区框架抗震等级采用一级，其余框架的抗震等级采用二级。

2.2.2 严格控制轴压比：主楼部分剪力墙核心筒最大轴压比0.447，框架柱的最大轴压比0.665。

2.2.3 提高底部加强区剪力墙的分布筋配筋率，提高约束边缘构件的体积配箍率。

2.2.4 对洞口周边的框架梁加宽，提高纵筋配筋率和加大箍筋配筋率。

2.2.5 对楼板也加强了措施，除在一、四、五、六层加厚，配双层双向钢筋并提高其配筋率，并对1～4层洞口周边的楼板也采取了同样的加强措施。

3 结构的整体计算分析

3.1 结构弹性分析

整体弹性分析主要采用SATWE，同时采用PMSAP不同力学模型程序进行比较计算。基本风压按100年重现期取值，ω0=0.450kN/m2,地面粗糙度C类，地震影响系数αmax=0.08,计算阵型数取46，±0.000以上分三个塔，±0.000以下一个塔，计算时考虑偶然偏心和双向水平地震作用，取两者的不利情况。由于裙房部分楼板局部开大洞不连续，整体结构分析时又采用了弹性楼盖计算模型，整体分析采用总刚分析法。弹性计算结果（2号塔楼结果和1号塔楼的结果差别很小）见表1。

由表1可知，多模型的分析结果基本一致，结构的底部总剪力、最大层位移、周期、周期比均正常，满足规范要求。只有结构中部的部分楼层（y向）在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层最大位移比大于1.2，但均小于1.4。结构的第一扭转周期与第一平动周期之比≤0.850，可见结构的扭转性能较好。总之，在小震和风荷载作用下结构各项控制指标均在合理范围内，全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范要求，结构构件处于弹性工作状态。

3.2 结构弹性时程分析

本工程结构高度大于100m，需要采用弹性时程分析来校核振型分解反应谱法的计算结果。计算采用SATWE软件进行时程分析。计算采用一条天然波（RH2TG040）和两条人工波（TH1TG040，TH4TG040）,取地震最大加速度35cm/s2,结构阻尼比为0.05，图4、5为1号塔楼结构弹性时程分析结果，与CQC法结果比较：各条时程曲计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于CQC法计算结果的80%。总剪力为CQC法的88%，顶点位移为CQC法的112%。

4 基础设计

基础设计等级为甲级。依据地质勘察报告，拟建场地原始地貌属于伊河河漫滩～Ⅰ级阶地，地形较平坦，标高138.70m～117.49m。

场地土层自上而下依次为：①层杂填土，厚0.30m～2.50m；②层黄土状粉土，厚1.0m～2.70m；③层黄土状粉质粘土加粉土，厚2.30m～6.50m；④层中砂，厚0.30m～3.20m；⑤层卵石及圆砾，厚2.30m～4.50m；⑥层卵石，最大揭露厚度12.6m。勘察结果表明，场地无岩溶、滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区和因城市或工业抽水而引起区域性地面沉降等不良地质作用。

第⑥层卵石层为良好的基础持力层。主楼基础和裙房及其它地下室基础均采用筏板基础，由于地下抗浮水位较浅（本工程±0.000相当于绝对标高139.00，地下抗浮水位125.80），故把主楼、裙房、地下室基底为一平，采用变厚度筏板基础，然后用回填土回填至地下室地面用来抵消部分水浮力。

工程主楼和裙房及部分地下室荷载差别较大，但基础持力层为第⑥层卵石层，两者的沉降变形差很小。主体结构施工过程中，采用后浇带调节变形差，可满足规范要求，因此不设沉降缝。

5 结语

总之，合理运用抗震缝的设置，有时可把复杂的结构形式，变成几个简单规则的结构形式，使结构分析更加简单。根据工程特点选用经济合理的结构体系。设计过程中与建筑师密切协调，使结构方案既要满足结构要求，又要为业主提供较好的经济性。在超高层结构设计中，更应注重抗震概念的设计，从总体把握结构的抗震性能，加强抗震构造措施。

参考文献

[1]吴大炜;高层建筑的结构优化设计研究[J];四川建筑科学研究;2006年04期

[2]吴锋;小高层住宅结构设计探讨[A];全国冶金自动化信息网2010年年会论文集[C];2010年