高层结构设计实例探析

曾李生

摘要：本文通过结合工程设计实例，针对目前高层结构设计特点，从结构体系的选择、结构构件设计等方面进行论述，计算分析表明所采取的结构设计措施均符合规范要求，为同行提供高层结构设计的处理方法和思路，以供设计参考。

关键词：高层结构；结构设计；结构布置；计算分析

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

项目概况

本工程使用功能为商业及住宅，房屋高度地上99.95米，地下17.25米。最大建筑层数地上28层，地下4层。设3条抗震缝将整个建筑分为4个独立的结构单元，分别为1号，2号，3号，4号楼。1~3号楼为部分框支剪力墙结构，4号楼为框架结构。建筑主体结构设计使用年限为50年。本地区基本风压为0.45kN/m2；本地区抗震设防烈度为6度。

上部及地下室结构设计

2.1结构布置设计

本工程在各塔楼周围设置抗震缝将整个建筑分为4个独立的结构单元，分别为1号，2号，3号，4号楼。各单元结构选型与结构布置采取如下 1~3号楼为部分框支剪力墙结构，转换层位于第7层，上部塔楼为矩形规则平面。结构转换层为薄弱层，在设计中，采用加厚薄弱层板厚并采用整体现浇、提高转换层梁柱混凝土等级、加强转换层板配筋、加厚落地剪力墙截面等措施对薄弱层进行加强。4号楼为框架结构，结构平面为矩形规则平面，竖向构件均连续落地。

在对本工程的4栋建筑采取结构设计时，充分利用到抗震概念设计理念。采取的抗震概念设计如下，根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中概念设计的要求，本工程建筑平面布置较规则，本工程1~3号楼为竖向不规则，设计中采用加强转换层（加厚转换层板并采用整体现浇、提高转换层梁柱混凝土等级、加强转换层板配筋、加厚落地剪力墙截面等）的措施，保证地震力能有效传递给落地竖向构件。从结构计算结果表明，设计均满足规范限值的要求。

对于本工程中主要结构构件材料采取如下，柱、剪力墙砼等级取值见表1所示。主要梁板砼等级为C30，转换层梁为C60。砌体材料及强度等级：内隔墙采用烧结页岩空心砖(密度等级≤1000kg/m3，强度等级MU5.0)，M5混合砂浆砌筑；外隔墙采用烧结页岩空心砖(密度等级≤1000kg/m3，强度等级MU5.0)，M5混合砂浆砌筑；厨房、卫生间及地下室等较潮湿房间的墙体采用M5水泥砂浆、MU10烧结页岩多孔砖（20孔及以上)砌筑。

表1项目结构柱、剪力墙砼等级一览表

2.2结构计算分析

本工程采用中国建筑科学研究院PKPM工程部开发的SATWE（2008年10月版)软件进行整体计算分析，采用广东省建筑设计研究院和深圳市广厦软件有限公司联合开发的广厦建筑结构CAD(GSSAP模块)进行复核对比。主要计算参数的取用为1~4号楼计算参数采用振型组合方法CQC（耦联)；计算振型个数24（15）个；地震烈度6度；场地类别Ⅱ类；设计地震分组为第一组；特征周期0.35s；多遇地震影响系数最大值0.04；活荷载质量折减系数1~0.55；周期折减系数0.9（0.7）；结构阻尼比为5%；计算中考虑偶然偏心；嵌固点位置布置建筑负二层。其计算结果见表2所示。

表1结构计算结果

根据表1所示，计算结果分析1~4号楼在周期比、位移比、层间位移角、楼层侧向刚度比、构件轴压比等方面均满足规范要求。计算结果合理性判别：从力学概念和工程经验等方面分析判断，认为本工程计算结果合理、有效，可作为工程设计的依据。

地下室抗浮专项设计

本工程地下室为框架结构，建筑负二层为上部结构嵌固层，局部覆土300mm。同时考虑到本工程离江河较近，共有四层地下室。相邻滨江路标高为187.800m，设计负四层地面标高为180.400m，负二层地面标高为188.200m，基本平滨江路。根据建设单位提供的本工程防洪标准为工程措施按50年一遇执行，设计水位为195.05m。当遇到洪水水位高于滨江路时，不采取其他措施抵挡，允许洪水流入负三、负四层地下车库。由此确定抗浮最不利设计水位为负二层地面标高188.200m，设计水头为188.200-180.400=7.80m。

本工程地下室抗浮设计主要分为整体抗浮设计和局部抗浮设计两部分。整体抗浮设计，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006版）第3.2.5条第3款，对结构抗浮验算时，荷载分项系数应按有关结构设计规范的规定采用。结合《砌体结构设计规范》GB50003-2001第4.1.6条，当砌体结构作为一个整体，验算整体稳定性时（倾覆、滑移、漂浮等），对起有利作用的永久荷载标准值效应的分项系数取0.8，对起不利作用的可变荷载标准值效应的分项系数取1.4。本工程分为1、2、3、4四个塔楼，四个塔楼重力荷载标准值（PM竖向导荷）分别为1#楼914074KN、2#楼795609KN、3#楼692204KN、4#楼459718KN。负四层总建筑面积为14638.38m2。7.8m水头浮力标准值为78KN/ m2。0.8x（914074+795609+692204+459718）/14638.38=156.40KN/ m2 >78x1.4=109.2 KN/ m2 。整体抗浮满足要求。

局部抗浮设计，经过分析比较，取4#楼部分L轴交22轴柱作为研究对象（此位置桩顶只有2层地下室荷载，抗浮相对不利）。柱底重力荷载标准值（PM导荷）为4702KN。柱距为8.4x8.4m，柱下桩所受浮力标准值为78x8.4x8.4=5504 kN。重力与浮力的标准值差值为4702-5504=-802KN，重力与浮力的设计值差值为0.8x4702-1.4x5504=-3944 kN。需要进行桩基抗拔设计，现设计桩身直径1.2m，嵌岩深度1.2m（1d），扩大头直径为2.2m。根据地勘报告，中风化泥岩桩基极限侧阻力标准值为450KPa。参照《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）公式5.4.5-2，桩基抗拔极限承载力标准值Nk=（0.5x450x3.14x2.2x1.2）x0.5=932>802KN（岩石抗拔系数λ取0.5）。桩身与土体的摩擦力作为安全储备。桩身单轴抗拉设计，现设计直径1.2m桩配3622（钢筋间距为105），参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）公式7.4.1桩身正截面抗拉承载力设计值N=360x36x314=4069KN>3944KN。通过桩身设计，局部抗浮能满足要求。

考虑到洪水浮力的偶然性，应注意施工顺序，待上部主体结构施工完成（包括砌体隔墙），即有利永久荷载完全加载后，最后施工地下室底板。避免洪水来临时未加载完全而导致结构整体漂移。时应注意底层楼板防水处理。

结语

文章通过结合笔者从事高层结构设计的实践体会，通过结合实例，提出了一些值得结构设计上注意的问题及相应的处理方法，可供工程设计人员参考。

参考文献：

[1] 张强．小高层结构设计实践[J]．科技传播，2012，28（04）：118~119．

[2] 陈天华．洛阳科技大厦高层结构设计[J]．安徽建筑，2011，27（07）：31~33．

[3] 梁斌．高层结构设计参数[J]．产业与科技论坛，2011，31（02）：57~58．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。