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淺談高層建筑的結構設計

發表于:2019-05-22 來源:中國鋼結構網   瀏覽次數:

  1工程概況

  某綜合樓,總用地面積6850m²,建筑面積15000m²。該項目包含購物中心超市、高層住宅等功能。首至三層主要為商業空間,4層大部分為架空層與裙樓屋面結合的綠化、交通空間,5~16層為四棟高層住宅樓。地下1層為停車庫。其中A、B區為四棟16層塔樓裙房屋面設置結構轉換層,塔樓總高為49.52m。現就設計過程中遇到的一些問題并結合對《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2002)》(以下簡稱《高規》)的理解和應用淺談作者的設計體會。

  2結構設計

  2.1抗震等級的問題

  按照《建筑抗震設防分類標準(GB50223-95)》和《建筑抗震設計規范(GB5001l-2001)》的規定,本工程下部商場部分用防震縫和建筑的防火單元分成各自獨立的建筑空間,高層部分和裙樓均根據建筑物使用功能的重要性可定為丙類建筑,地區地震烈度為7度,高層部分各結構構件的抗震等級均可由《高規》中表4.8.2確定:框支框架一級:剪力墻底部加強部位和非底部加強部位均為二級。經審圖單位和抗震辦公室審查后指出,下部商場部分功能接近,雖然用抗震縫和磚墻隔開,但不能排除在使用過程中重新進行區域劃分和調整功能的可能,因此本工程應全部定為乙類建筑。乙類建筑和丙類建筑的造價相差較多,業主難以承受,根據其以往的開發經驗和對同類工程對比,業主已按現行設計方案進行了招商,建成后不會進行大的調整,按丙類建筑設計是合理的。設計單位和作者認為,審查專家的意見有一定的道理,下部商場作為大型公共建筑,根據《建筑抗震設防分類標準(GB50223-95)》條文說明:在一般情況下,原則上能保障在遭遇設防烈度地震影響時,不致有災難性后果的建筑,均可列為丙類建筑。條文說明中還指出,不論多層和高層,只有年營業額1.5億元以上、固定資產0.5億元以上、建筑面積1萬m2以上3個條件均滿足時,才定為乙類建筑。另《建筑抗震設防分類標準》3.0.1.5條中規定“建筑物各單元的重要性有顯著不同時,可根據局部的單元劃分類別”。而本建筑裙樓商場大底盤設置了多道抗震縫將結構分為若干單元后,大部分單元不同時滿足上述3個條件,且各單元經招商銷售后將劃分為若干獨立的中小型商場,相鄰商場的人流及營業情況也會有所不同,應不致產生災難性后果。

  因此本工程全部定位乙類建筑顯然是不妥當的。經專家論證,并參照抗震規范管理組的意見,本工程C、D區全部定為乙類建筑,A區高層部分轉換層及其上兩層定為乙類建筑,其它層住宅定為丙類建筑,B、E區定為丙類建筑。因此高層部分各結構構件抗震等級為:地下一層無上部結構的部分按7度三級抗震設防;有上部結構部分的地下一層至第6層樓面框架和剪力墻按7度特一級抗震設防;第6層樓面以上至第8層樓面框架部分為7度一級抗震設防,落地剪力墻和一般剪力墻為7度特一級抗震設防;第7層以上至屋面(包括小塔樓)框架和剪力墻均為7度二級抗震設防。根據使用功能的重要性,同一建筑物可以分為不同的抗震設防類別,說明新規范更符合建筑物的實際使用情況。

  2.2轉換層的設置和設計

  一般來說,如果豎向構件能夠直接落地,則不需設置轉換構件。《高規》第4.3.5條規定:“樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移,A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應大于該樓層平均值的1.5倍;B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應大于該樓層平均值的1.4倍。”如果核心筒偏心或者質量有偏心時,即使所有柱子均能直接落地,但最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值卻往往也難以滿足《高規》的要求,此時,設計中單純通過加大柱截面的辦法來改善其位移情況收效不大,只有在位移較大部位布置剪力墻才能收到較好的效果。一部分剪力墻不能直接落地,必須設置轉換構件才能滿足底部大空間的要求。在本工程結構方案設計階段,A、B棟高層建筑所有柱均可直接落地,因此并未設置轉換層。經過初設階段后,由于核心筒偏心,上部住宅如果不設剪力墻,單純依靠加大柱截面的辦法,結構扭轉周期仍為第一周期,最大水平位移和層間位移與樓層平均值之比不滿足規范要求,最終只好在上部住宅增設剪力墻并通過設置轉換梁才能滿足規范要求。因此,在商住樓設計中,如果平面不對稱或平面較狹長時,一般在裙房屋面設置轉換層方可得到滿意的計算結果。

  2.3結構選型問題

  一般情況下,高度在30m以下的建筑,框架結構要比框剪結構經濟;但是當建筑高度在40-50m時,仍可采用框架結構,也可采用框剪結構。但究竟采用框架或框剪結構,則需設計人員通過試算確定。根據《高規》表4.8.2可知:建筑物高度超過30m時,框架結構中框架的抗震等級均比框剪結構中框架提高一級。如采用框剪結構,必須合理確定剪力墻的設置位置和數量:剪力墻數量設置太多,建筑物樓層質量較重,地震力加大,構件截面和配筋必然加大,則不經濟;剪力墻數量設置較少其框架的抗震等級和柱軸壓比限值仍需按照框架結構采用。抗震設計時,剪力墻應沿建筑物周邊,對稱分散布置,對質量較重處也應布置剪力墻。合理的數量可由計算確定,即在基本振型地震作用下,剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%。滿足此條件的最少剪力墻數量和位置即為框剪結構的最優布置。因此當剪力墻較少時,采用框剪結構并不一定比框架結構要浪費。本工程中D棟原設計采用框架結構,框架的抗震等級均為一級抗震設防;在施工圖設計中,經過進一步的技術經濟比較,決定采用框剪結構,縱向設7片剪力墻,橫向設6片剪力墻,即可滿規范要求。框架的抗震等級降為二級,剪力墻為一級,柱軸壓比數值比框架結構的柱軸壓比提高0.15,柱截面減少較多,骨架部分造價可比純框架降低8%以上。可見,合理的結構選型是結構設計人員必須掌握的第一要義。

  3結束語

  在抗震等級的確定方面,把高層建筑分為A、B類,從概念設計、結構計算和抗震措施方面均做了明確規定,并增加了抗震等級為特一級的內容,使高層建筑“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”等延性方面的設計得到較大的改善,提高了高層建筑的安全性。抗震等級與建筑物的抗震設防類別直接相關,必須在初設期間得以明確。為限制結構的扭轉效應,規定了最大水平位移和層間位移與樓層平均值之比的限值。對于平面較狹長或核心筒有偏心時,應設置剪力墻才能滿足規范要求,底部有大空間要求時,應設置轉換層。對于高度已確定的建筑物,采用何種結構形式,結構工程師應進行經濟技術比較后確定。總之,對新規范的理解和應用只有在不斷的設計實踐過程中才能更好地掌握。

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