重慶大學(xué)《高層結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)》課程論

1、武漢市國(guó)粹香舍1#高層住宅樓設(shè)計(jì)分析摘要 近期，高層住宅大量涌現(xiàn)，如何在設(shè)計(jì)過程中使結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)合理已成當(dāng)務(wù)之急。由于目前的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)別指標(biāo)超限，則對(duì)這部分進(jìn)行調(diào)整，至于整個(gè)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(shí)候都會(huì)產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。另外，住宅布置有時(shí)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(guān)鍵詞 高層住宅；結(jié)構(gòu)方案；廣廈SW；指標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)是框架柱截面很大且突出墻體, 直接影響到戶型的實(shí)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(diǎn)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(diǎn)是此種結(jié)構(gòu)形式太柔對(duì)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(diǎn)也是外露的框架柱會(huì)影響使用。1.4 剪力墻結(jié)構(gòu): 根據(jù)建筑平面布置設(shè)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大、自重大、地震反應(yīng)大。建筑和結(jié)構(gòu)布置不合理的話也會(huì)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(diǎn)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(jì)。2 高層住宅設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1 總體指標(biāo)控制 計(jì)算判斷結(jié)構(gòu)抗震是否可行的主要依據(jù)是在風(fēng)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(fēng)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?？傮w指標(biāo)對(duì)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(dǎo)致地震效應(yīng)增大，造成不必要的材料浪費(fèi)

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(duì)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(duì)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(yīng)大干該樓層平均值酌1.5倍。當(dāng)然，對(duì)于頂層構(gòu)件可不考慮在內(nèi)，否則很難滿足上述指標(biāo)。2.2 配筋及構(gòu)造設(shè)計(jì) 對(duì)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(duì)于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟(jì)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(jì)算及規(guī)范建議的最小配筋率即可。加強(qiáng)區(qū)中10200，非加強(qiáng)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(dāng)別論。因?yàn)榈叵虏糠謮w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(jiǎn)化計(jì)算經(jīng)常由豎向筋控制，此種情況下為增大計(jì)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(hù)層按地下工程防水技術(shù)規(guī)范第條規(guī)定：迎水面保護(hù)層應(yīng)大于50mm，且在保護(hù)層內(nèi)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第9.2.4條規(guī)定增設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)片。在這種情況下，很多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行外墻裂縫驗(yàn)算時(shí)有效截面高度仍按保護(hù)層50mm計(jì)算，筆者認(rèn)為是不妥當(dāng)

6、的。當(dāng)采取了雙向鋼筋網(wǎng)片后，計(jì)算保護(hù)層厚度至少可按30mm來取值，這對(duì)節(jié)省墻體配筋效果相當(dāng)明顯。 (2)剪力墻按規(guī)范應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件，一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)的剪力墻底郎加強(qiáng)部位硬其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，其余剪力墻應(yīng)按高層建筑混凝結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第7.2.17條設(shè)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(diǎn)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(zhǎng)墻），短肢剪力墻，小墻肢和一個(gè)方向長(zhǎng)肢墻而另一方向?qū)俣讨珘韰^(qū)別對(duì)待配筋。對(duì)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(qiáng)區(qū)0.7%，一般部位0.5%。對(duì)于短肢剪力墻，應(yīng)按高規(guī)第7.1.2條控制配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2%，一

7、般部位10%。對(duì)于小墻肢其受力性能較差，應(yīng)嚴(yán)格按高規(guī)控制其軸壓比，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并應(yīng)控制其縱向鋼筋配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2%，一般部位1.0%而對(duì)于一個(gè)方向長(zhǎng)肢另一方向短肢的墻體，設(shè)計(jì)中往往就按長(zhǎng)胺墻進(jìn)行暗柱配筋，這并不妥當(dāng)，建議有兩種方法。其一，計(jì)算中另一方向短肢不進(jìn)入剛度，則配筋可不考慮該方向短肢影響，其二，計(jì)算中短肢進(jìn)入剛度，則配筋中應(yīng)考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率加強(qiáng)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(shí)很難進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果加大連梁高度，配筋值有時(shí)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(biāo)高。對(duì)于門洞，上述所示情況梁的高度是一樣的但對(duì)于窗洞，連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底，有時(shí)則高度太高，這樣高跨比太大，并且與計(jì)算圖形不符，相應(yīng)配筋亦較大，不合理。連梁高度計(jì)算與設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定從洞項(xiàng)算到樓板面或屋面，對(duì)于窗洞樓面至窗臺(tái)部分可崩磚或其他輕質(zhì)材料砌筑。對(duì)干窗臺(tái)有飄窗時(shí)，可再增加一根梁，兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應(yīng)對(duì)稱配置，腰筋同墻體水平筋。 (4)目前，各設(shè)計(jì)院在剪力墻的樓層處均設(shè)置暗梁，而對(duì)睹梁的作用及配筋亦各有理解。對(duì)于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，如剪力墻周邊僅有桂而無梁時(shí)，則設(shè)置暗梁，并且要求剪力墻兩端是明柱，這是因?yàn)橹苓呌辛褐募袅?，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(shè)置暗梁對(duì)加強(qiáng)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(shè)置暗梁是可行的，但沒有必要設(shè)置太火斷面及配筋，建議底部加強(qiáng)區(qū)斷面可取墻厚x300，配筋上下各216一般底部加強(qiáng)區(qū)斷面可取墻厚x250，配筋上下各2中14即可。總之，高層設(shè)計(jì)時(shí)如何把握好合理性，經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，合理把握關(guān)鍵部位及次要構(gòu)件，什么地方應(yīng)加強(qiáng)，什么地方可以放松，對(duì)于整個(gè)建筑物保證安全及降低造價(jià)影響巨大，這也是我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)中要不斷提高及改進(jìn)的。3 武漢市國(guó)粹香舍1#高層住宅樓設(shè)計(jì)分析3.1工程概況工程名稱：武漢市國(guó)粹香舍1號(hào)樓設(shè)計(jì)；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(shè)計(jì)使用年限：50年；抗震等級(jí)：三級(jí)；設(shè)防烈度：6度，場(chǎng)地為III類；耐火等級(jí)：II級(jí)；3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土的類型為中硬場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類別為類，設(shè)計(jì)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)。框架抗震等級(jí)為三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)；底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。地下車庫(kù)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)

11、為三級(jí)。結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖4 設(shè)計(jì)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(duì)工程實(shí)際情況，并考慮到造價(jià)的因素，在轉(zhuǎn)換層設(shè)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(duì)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(shè)置剪力墻，加大房屋的整體剛度及抗扭剛度。同時(shí)轉(zhuǎn)換層以下

12、不設(shè)管道層，在3米標(biāo)高處設(shè)置管道通廊，將設(shè)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(jì)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?jìng)髁ν緩矫鞔_，受力狀況相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)框支構(gòu)件另采用平面有限元的程序進(jìn)行單獨(dú)分析，并與總體計(jì)算結(jié)果對(duì)比，以保證關(guān)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(duì)框支梁的構(gòu)造有非常詳細(xì)的要求，對(duì)轉(zhuǎn)換梁的規(guī)定很少。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)換梁在滿足框支梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)、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(diǎn)： （1）轉(zhuǎn)換梁斷面宜由剪壓比控制計(jì)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(shí)，不大于0.15。 （2）轉(zhuǎn)換梁腰筋構(gòu)造以梁高中點(diǎn)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(yīng)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(jì)算程序按平扭耦聯(lián)進(jìn)行抗震計(jì)算分析。在結(jié)構(gòu)初步計(jì)算時(shí)，沒有對(duì)剪力墻的平面布置作出適當(dāng)調(diào)整，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期壓與平動(dòng)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(shí)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，從面提高

14、結(jié)構(gòu)的抗扭能力，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時(shí)也能保證安全。從力學(xué)基本概念可知，構(gòu)件離質(zhì)心越遠(yuǎn)，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(jì)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(shè)計(jì)時(shí)將兩端剪力墻、框架柱、框架梁剛盤適當(dāng)提高，端跨板加厚，雙層雙向配筋，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連接。針對(duì)中部樓電梯間凹進(jìn)比較嚴(yán)重，計(jì)算時(shí)該部分樓梯采用彈性假定，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)核心筒剪力墻配筋適當(dāng)加強(qiáng)，核心筒樓板及與之相連的兩側(cè)梁板截面加大，配筋加強(qiáng)。從計(jì)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(yīng)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(yīng)。5 對(duì)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(jì)算符合實(shí)際情況，力求能準(zhǔn)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(shè)計(jì)的原則，在構(gòu)造上采取措施，進(jìn)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(jìn)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(yīng)特征、變化規(guī)律基本吻合，各種指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。對(duì)框支構(gòu)件采用平面有限元分析程

16、序EQ驗(yàn)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(duì)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(dāng)加大，配筋適當(dāng)加強(qiáng)。側(cè)向剛度比（括號(hào)內(nèi)表示Y方向）層號(hào)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(gè)振型參與質(zhì)量(%)X平動(dòng)Y平動(dòng)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(yǔ) 隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市建設(shè)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(shè)計(jì)

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