重慶大學《高層結(jié)構(gòu)分析設計》課程論

1、武漢市國粹香舍1#高層住宅樓設計分析摘要 近期，高層住宅大量涌現(xiàn)，如何在設計過程中使結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟合理已成當務之急。由于目前的高層住宅結(jié)構(gòu)設計大多數(shù)是根據(jù)已經(jīng)確定好的平面和豎向布置，先假定好構(gòu)件尺寸，分別采用廣廈SW和SATWE兩種程序進行結(jié)構(gòu)的空間分析，以求正確反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形情況，電算一般是個別指標超限，則對這部分進行調(diào)整，至于整個方案是否完善，構(gòu)件尺寸假定是否太大，則心中無底。很多時候都會產(chǎn)生不必要的浪費。另外，住宅布置有時候建筑考慮立面和內(nèi)部空間，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很多不合理之處。關鍵詞 高層住宅；結(jié)構(gòu)方案；廣廈SW；指標超限1 高層住宅的幾種結(jié)構(gòu)形式1.1框架結(jié)構(gòu): 其優(yōu)點主要是結(jié)構(gòu)布置靈

2、活, 較大的室內(nèi)空間, 尤其是底層空間可以較大, 使用較為方便。缺點是框架柱截面很大且突出墻體, 直接影響到戶型的實際使用面積及家具布置。且建筑平面布置需要十分規(guī)則。1.2異形柱框架結(jié)構(gòu): 其特點類似于框架結(jié)構(gòu), 且柱寬與墻厚相同。解決了室內(nèi)空間使用的問題。缺點是此種結(jié)構(gòu)形式太柔對抗震不利, 房屋適用高度很低。1.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu): 較多的用在高層結(jié)構(gòu)中。外部框架結(jié)構(gòu)主要承受豎向力, 框架布置靈活。電梯井為剪力墻承受大部分水平荷載。此種結(jié)構(gòu)形式比較適合于商業(yè)和商住等有大空間需求的建筑。缺點也是外露的框架柱會影響使用。1.4 剪力墻結(jié)構(gòu): 根據(jù)建筑平面布置設置鋼筋混凝土剪力墻, 無外露柱子很好

3、滿足了建筑平面的使用要求。缺點是結(jié)構(gòu)剛度大、自重大、地震反應大。建筑和結(jié)構(gòu)布置不合理的話也會增加鋼筋用量。1.5 短肢剪力墻結(jié)構(gòu): 是一種剪力墻墻肢較短的特殊剪力墻結(jié)構(gòu), 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)布置十分靈活, 結(jié)構(gòu)特點也和剪力墻結(jié)構(gòu)類似。在非地震區(qū)和地震烈度較低的地方短肢剪力墻結(jié)構(gòu)要更為經(jīng)濟。2 高層住宅設計要點2.1 總體指標控制 計算判斷結(jié)構(gòu)抗震是否可行的主要依據(jù)是在風荷載和地震作用下水平位移的限值。地震作用下，結(jié)構(gòu)的振型曲線，自振周期以及風荷載和地震作用下建筑物底郎剪力和總彎矩是否在合理范圍中。總體指標對建筑物的總體判別十分有用。譬如說若剛度太大，周期太短，導致地震效應增大，造成不必要的材料浪費

4、，但剛度太小，結(jié)構(gòu)變形太大，影響建筑物的使用合理的剛度是多少，對于小高層住宅H取l2500-l3500，剛重比在10-15之間是比較合理的。周期約為層數(shù)的0.06-0.08倍之間。另外，對結(jié)構(gòu)布置扭轉(zhuǎn)的控制：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移不宜大干該樓層平均值的1.2倍，不應大干該樓層平均值酌1.5倍。當然，對于頂層構(gòu)件可不考慮在內(nèi)，否則很難滿足上述指標。2.2 配筋及構(gòu)造設計 對于高層住宅來說，剪力墻是面廣量大的，因此合理的控制剪力墻配筋對于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟性具有十分重要的作用。 (1)剪力墻墻體配筋（以200厚墻體為例）一般要求水平鋼筋放在外側(cè)，豎向

5、鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計算及規(guī)范建議的最小配筋率即可。加強區(qū)中10200，非加強區(qū)中8200雙層雙向即可，雙排鋼筋之間采用中6600 x600拉筋。但地部分墻體配筋則另當別論。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制，而由于簡化計算經(jīng)常由豎向筋控制，此種情況下為增大計算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè)，豎向鋼筋放在外側(cè)。地下部分墻體鋼筋保護層按地下工程防水技術規(guī)范第條規(guī)定：迎水面保護層應大于50mm，且在保護層內(nèi)按混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范第9.2.4條規(guī)定增設雙向鋼筋網(wǎng)片。在這種情況下，很多設計人員在進行外墻裂縫驗算時有效截面高度仍按保護層50mm計算，筆者認為是不妥當

6、的。當采取了雙向鋼筋網(wǎng)片后，計算保護層厚度至少可按30mm來取值，這對節(jié)省墻體配筋效果相當明顯。 (2)剪力墻按規(guī)范應設置邊緣構(gòu)件，一、二級抗震設計的剪力墻底郎加強部位硬其上一層的墻肢端部應設置約束邊緣構(gòu)件，其余剪力墻應按高層建筑混凝結(jié)構(gòu)技術規(guī)程第7.2.17條設置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。本節(jié)僅就構(gòu)造邊緣構(gòu)件的配筋作一點討論。首先要區(qū)分剪力墻的受力特性及類別，即：普通剪力墻（長墻），短肢剪力墻，小墻肢和一個方向長肢墻而另一方向?qū)俣讨珘韰^(qū)別對待配筋。對于普通剪力墻，其暗柱配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率，建議加強區(qū)0.7%，一般部位0.5%。對于短肢剪力墻，應按高規(guī)第7.1.2條控制配筋率加強區(qū)1.2%，一

7、般部位10%。對于小墻肢其受力性能較差，應嚴格按高規(guī)控制其軸壓比，宜按框架柱進行截面設計，并應控制其縱向鋼筋配筋率加強區(qū)1.2%，一般部位1.0%而對于一個方向長肢另一方向短肢的墻體，設計中往往就按長胺墻進行暗柱配筋，這并不妥當，建議有兩種方法。其一，計算中另一方向短肢不進入剛度，則配筋可不考慮該方向短肢影響，其二，計算中短肢進入剛度，則配筋中應考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率加強區(qū)1.0%，一般部位0.8%。 (3)剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，在地震作用下彎矩，剪力很大，有時很難進行設計，如果加大連梁高度，配筋值有時反而更大。連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞頂算到樓面

8、標高。對于門洞，上述所示情況梁的高度是一樣的但對于窗洞，連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底，有時則高度太高，這樣高跨比太大，并且與計算圖形不符，相應配筋亦較大，不合理。連梁高度計算與設計統(tǒng)一規(guī)定從洞項算到樓板面或屋面，對于窗洞樓面至窗臺部分可崩磚或其他輕質(zhì)材料砌筑。對干窗臺有飄窗時，可再增加一根梁，兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應對稱配置，腰筋同墻體水平筋。 (4)目前，各設計院在剪力墻的樓層處均設置暗梁，而對睹梁的作用及配筋亦各有理解。對于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，如剪力墻周邊僅有桂而無梁時，則設置暗梁，并且要求剪力墻兩端是明柱，這是因為周邊有梁柱的剪力墻，抗震性能要比一般剪力墻要好。剪力墻結(jié)構(gòu)則沒有這

9、方面的要求，在墻板交接處設置暗梁對加強墻體整體性作用還是有的，但究竟有多大則無從確定。因此，就目前而言，在樓層位置設置暗梁是可行的，但沒有必要設置太火斷面及配筋，建議底部加強區(qū)斷面可取墻厚x300，配筋上下各216一般底部加強區(qū)斷面可取墻厚x250，配筋上下各2中14即可?？傊邔釉O計時如何把握好合理性，經(jīng)濟性至關重要。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，合理把握關鍵部位及次要構(gòu)件，什么地方應加強，什么地方可以放松，對于整個建筑物保證安全及降低造價影響巨大，這也是我們在今后的設計中要不斷提高及改進的。3 武漢市國粹香舍1#高層住宅樓設計分析3.1工程概況工程名稱：武漢市國粹香舍1號樓設計；建筑層數(shù)和面積：三十

10、三層，20000m2；建筑高度：室內(nèi)外高差0.8m，建筑高度47.4m；建筑結(jié)構(gòu)形式：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；工程環(huán)境：本工程位于武漢市；設計使用年限：50年；抗震等級：三級；設防烈度：6度，場地為III類；耐火等級：II級；3.2 結(jié)構(gòu)設計說明工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，場地土的類型為中硬場地土，建筑場地類別為類，設計地震特征周期值為0.35s。主樓上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣芸拐鸬燃墳槿?，剪力墻抗震等級為三級；底部加強部位剪力墻抗震等級為二級，非底部加強部位剪力墻抗震等級為三級。地下車庫采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級

11、為三級。結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。圖1 標準層平面布置圖4 設計主要問題4.1結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工程層3以上為剪力墻小戶型住宅，層1、2為商業(yè)、娛樂用房，需要較大開間及空間，上部的短肢剪力墻無法落地，因此存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換問題。針對工程實際情況，并考慮到造價的因素，在轉(zhuǎn)換層設置轉(zhuǎn)換大梁，以承托上部短肢剪力墻。由于轉(zhuǎn)換梁承托著上部24層的剪力墻，受力很大，因此需要很大的截面和配筋，即需要轉(zhuǎn)換層下層有較大的層高。按照抗震規(guī)范表3.4.2-2對于側(cè)向剛度不規(guī)則的定義，盡量使層2與層3的側(cè)向剛度比大于70%。經(jīng)與建筑專業(yè)人員協(xié)商，在轉(zhuǎn)換層以下部分山墻兩端及房間開間兩側(cè)設置剪力墻，加大房屋的整體剛度及抗扭剛度。同時轉(zhuǎn)換層以下

12、不設管道層，在3米標高處設置管道通廊，將設備管道由此引出室外，從而將轉(zhuǎn)換層下層的層高由5.4米降到4.8米。經(jīng)過計算，滿足了側(cè)向剛度規(guī)則的要求，該轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)方案傳力途徑明確，受力狀況相對簡單，對框支構(gòu)件另采用平面有限元的程序進行單獨分析，并與總體計算結(jié)果對比，以保證關鍵構(gòu)體的抗震安全。值得注意的是，轉(zhuǎn)換層大梁不是框支梁?？蛑Я荷喜砍型型暾募袅π铦M足高規(guī)規(guī)定的條件，框支梁整截面受拉。轉(zhuǎn)換梁和普通梁一樣單面受壓或受拉，在構(gòu)造要求上與框支梁不同。高規(guī)對框支梁的構(gòu)造有非常詳細的要求，對轉(zhuǎn)換梁的規(guī)定很少。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，轉(zhuǎn)換梁在滿足框支梁混凝土強度等級、開洞構(gòu)造要求、縱向鋼筋、箍筋構(gòu)造要求以外，

13、還需要滿足已下兩點： （1）轉(zhuǎn)換梁斷面宜由剪壓比控制計算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率，適宜剪壓比限值在有地震作用組合時，不大于0.15。 （2）轉(zhuǎn)換梁腰筋構(gòu)造以梁高中點為分界，下部腰筋間距100mm，上部腰筋間距200mm，直徑不小于18mm，尚應滿足:AshSbw(x-t)/yh。4.2結(jié)構(gòu)抗扭工程采用廣廈結(jié)構(gòu)計算程序按平扭耦聯(lián)進行抗震計算分析。在結(jié)構(gòu)初步計算時，沒有對剪力墻的平面布置作出適當調(diào)整，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期壓與平動為主的第一自振周期下之比為0.96，扭轉(zhuǎn)周期偏大。由于實際條件的限制，建筑專業(yè)能做的調(diào)整有限，只能由結(jié)構(gòu)專業(yè)采取措施：即通過加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，從面提高

14、結(jié)構(gòu)的抗扭能力，當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時也能保證安全。從力學基本概念可知，構(gòu)件離質(zhì)心越遠，其抗扭剛度就越大。所以，在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，可以顯著加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，在A、C座的兩端盡可能布置縱向剪力墻，從計算結(jié)果看，其扭轉(zhuǎn)周期顯著減小，周期比滿足規(guī)范要求。在設計時將兩端剪力墻、框架柱、框架梁剛盤適當提高，端跨板加厚，雙層雙向配筋，以加強結(jié)構(gòu)的連接。針對中部樓電梯間凹進比較嚴重，計算時該部分樓梯采用彈性假定，設計時對核心筒剪力墻配筋適當加強，核心筒樓板及與之相連的兩側(cè)梁板截面加大，配筋加強。從計算結(jié)果分析，樓層的最大彈性水平位移與該樓層兩端彈性水平位移的平均值之比均小于1.

15、2，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應并不明顯。說明通過采取一定的構(gòu)造措施，可以改善建筑平面不規(guī)則布置所引起的扭轉(zhuǎn)效應。5 對結(jié)構(gòu)處理的總結(jié) 工程結(jié)構(gòu)存在著以下不利因素:平面凹凸不規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，側(cè)向剛度變異大。為了保證結(jié)構(gòu)的抗震安全，有必要采取措施，一方面使結(jié)構(gòu)計算符合實際情況，力求能準確反映結(jié)構(gòu)的抗震能力及薄弱環(huán)節(jié);另一方面也要按照概念設計的原則，在構(gòu)造上采取措施，進一步保證結(jié)構(gòu)安全。具體措施如下: (1)分別采用廣廈SW和SATWE兩種程序進行結(jié)構(gòu)的空間分析，以求正確反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形情況。兩種程序分析出的結(jié)構(gòu)反應特征、變化規(guī)律基本吻合，各種指標均能滿足規(guī)范要求。對框支構(gòu)件采用平面有限元分析程

16、序EQ驗算配筋。需注意轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求。將轉(zhuǎn)換層及其上下兩層樓板加厚，鋼筋雙層雙向拉通配置。 (3)針對平面不規(guī)則的情況，在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，外圍及核心筒構(gòu)件截面造當加大，配筋適當加強。側(cè)向剛度比（括號內(nèi)表示Y方向）層號層側(cè)向剛度比值(本層/上層)比值(本層/上層平均值）12148907.171.19(1.31)1.45(1.84)-4270476.2922024948.761.71(2.02)1.43(1.86)-3264230.1931184726.70.70(0.78)0.86(0.98)-1016425.4141782948.211.41(1.33)1.59(1.55)-

17、2085368.72結(jié)構(gòu)自振周期（秒）振型周期單個振型參與質(zhì)量(%)X平動Y平動扭轉(zhuǎn)13.069111.4553.170.5123.068658.2410.740.0732.637900.5464.9340.971614.640.16050.81560.2412.164.2360.789505.459.87轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比：轉(zhuǎn)換層下部1-3層H1=15.60米轉(zhuǎn)換層上部4-8層H2=14.50米X方向剛度比=0.4355Y方向剛度比=0.32406 結(jié)語 隨著城市化進程的不斷加快，城市建設用地越來越緊張，為提高用地效率，城市建筑大多朝向高層和超高層發(fā)展，這也為建筑的結(jié)構(gòu)設計

18、提出了更高的要求。因而我們廣大建筑設計人員應熟練掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設計的相關要點，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系，做好結(jié)構(gòu)設計的計算和優(yōu)化，提高建筑的結(jié)構(gòu)安全性，降低設計和建造成本，為社會創(chuàng)造出更多的高層建筑精品。參考文獻：1住宅建筑設計規(guī)范（GB50096-2011）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，20112建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB500092001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20013混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB500102010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20104混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB502042002）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20025混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB502042002）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20026混凝土結(jié)構(gòu)設計（第三版）.沈蒲生.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20087高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程.(JGJ3-2002). 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2002。8建筑抗震設計規(guī)范.（GB50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20