某高层综合楼结构设计中的问题及解决方法

成 高 峰

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)



某高层综合楼结构设计中的问题及解决方法

成 高 峰

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

以山西行政学院综合楼工程为例，介绍了该工程的结构布置方案，通过整体计算，探讨了主楼与裙楼的优化设计措施，并针对剪力墙、框架柱和连梁设计中遇到的问题，提出了具体的解决对策。

教学楼，裙楼，剪力墙，框架柱，概念设计

1 工程概况

本工程为山西行政学院(中共山西省委党校)综合楼,建设地点位于太原市学府街山西行政学院校园东北角。本工程地下2层，地上主楼19层(裙楼文体综合楼地上3层),主楼1层层高5.4 m,2层，3层层高4.8 m,标准层层高3.9 m(13层层高6.1 m)，建筑总高度79.6 m；裙楼1层层高10 m,2层层高4.8 m,3层层高8.8 m。主楼与裙楼之间设抗震缝。主要设计参数：基本风压修正后为0.44 kN/m2,地面粗糙度类别：C类。抗震设防烈度：8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。建筑结构安全等级：二级，建筑抗震设防类别：丙类，剪力墙抗震等级：一级，框架抗震等级：主楼一级(裙楼二级)。建筑场地类别：Ⅲ类,地基基础设计等级：乙级。

2 结构布置

2.1 基本原则

本工程主楼为综合教学楼，各楼层使用功能复杂。裙楼为文体综合楼，1层设有综合运动馆，2层为学员餐厅厨房，3层设有300人教室。考虑到本工程结构空间及结构高度的需要，主体结构采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，框架梁与框架柱或框架柱与剪力墙的中线应尽量重合；剪力墙宜均匀布置在建筑物的四周、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大。抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度相近，所以剪力墙平面布置宜沿两个主轴方向双向布置。

2.2 结构设计中的难点

1)主楼难点。

本工程主楼因使用功能复杂致使剪力墙布置除楼电梯间及建筑周边外均未能通高设置，又因建筑外立面的要求剪力墙在建筑周边布置也受到限制。同时本工程底部楼层层高较高，剪力墙截面设计还需满足稳定性要求。再者本工程主楼13层层高为6.1 m，其他相邻楼层层高3.9 m,可能产生刚度突变形成薄弱层。

2)裙楼难点。

首先因裙楼1层为学员运动场所，活动区域框架柱全部拔除，竖向抗力构件布置受限且形成一个22.5 m×36.0 m的大空间。其次因裙楼1层层高大于2层层高的1.5倍，裙楼2层也可能产生刚度突变。

2.3 整体计算及优化设计

本工程整体计算的主要控制指标有：

首先，根据《建筑抗震设计规范》表 5.5.1 要求，钢筋混凝土框架—抗震墙结构弹性层间位移角不大于1/800。

其次，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》3.4.5要求竖向构件最大层间位移与平均层间位移比不应大于1.5，不宜大于1.2。以结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比不应大于0.9。

再次，根据《高规》3.5.2条规定，对框架—剪力墙结构，楼层与其相邻上层的侧向刚度比值不宜小于0.9；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1。

最后，根据《高规》8.13条规定，典型框剪结构中底层框架部分承受的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%。

1)主楼初步计算后，从结构平面布置来看剪力墙整体布置较为均匀，结构质心与刚心基本重合，整体计算指标基本满足，但主楼13层产生刚度突变，13层与14层刚度比值远小于1.1，同时最大层间位移与平均层间位移比为1.35，扭转位移比较大。

第一次优化设计。

调整措施：a.增加结构两端剪力墙布置从而加强结构两端刚度。b.根据提高13层刚度减小14层刚度的原则，加大13层以下框架柱及剪力墙截面，减小14层以上框架柱及剪力墙截面。经计算后结构13层与14层刚度比值为0.98,最大层间位移与平均层间位移比降为1.31。

第二次优化设计。

因结构楼电梯间剪力墙布置较多，刚度较大，减小剪力墙截面后刚度变化有限，又因结构弹性层间位移角较为充裕，可删减部分楼电梯间剪力墙。经计算后结构13层与14层刚度比值为1.18,最大层间位移与平均层间位移比降为1.27。

第三次优化设计。

综合考虑前两次优化设计，细化结构模型，通过调整连梁高度等措施，经计算后结构主要计算指标如下：地震作用下X方向最大层间位移角1/935,Y方向最大层间位移角1/896。考虑偶然偏心在地震作用规定水平力下，最大位移与层间平均位移的比值均在1.2～1.3之间，进而本工程需考虑双向地震作用。X向和Y向底层框架承担抗倾覆力矩均在10%～50%之间，按典型的框剪结构进行设计，无需调整结构抗震等级。计算振型数为24个，计算结果显示抗震计算时的振型参与质量与总质量之比为：X向为97.50%，Y向为95.50%。13层与14层刚度比值为1.25，满足规范要求。

经计算本工程结构布置如图1所示。

2)裙楼设计，裙楼大空间的楼盖形式初步考虑方案有以下四种形式：井字梁楼盖、单向密肋梁、钢桁架、钢网架。因裙楼2层为厨房，恒活荷载都较大，初步计算后井字梁和单向密肋梁两种楼盖形式截面高度都较大，并且楼盖挠度也较大从而影响建筑层高，但楼盖刚度较大有利于整体位移计算；钢桁架和钢网架两种楼盖形式截面高度相对较小，但楼盖刚度也较小不利于整体位移计算,同时钢结构楼盖使用的耐久性和舒适性较差。综合分析上述楼盖的优缺点最终选用单向密肋梁楼盖，但为了解决单向密肋梁截面较高挠度较大而影响建筑层高的缺点，对单向密肋梁施加预应力。裙楼单向密肋梁楼盖采用后张无粘结预应力技术处理后，梁截面高度和梁挠度显著减小从而能满足建筑层高的要求。其次因裙楼1层层高远大于2层层高的1.5倍，裙楼2层也产生刚度突变，为了满足侧向刚度比，1层刚度不小于2层刚度的1.1倍，裙楼部分剪力墙布置不贯通3层只到1层顶标高。经反复计算，裙楼结构布置如图2所示。

2.4 剪力墙、框架柱和连梁设计中的问题及解决方法

本工程剪力墙为了满足剪力墙稳定性及薄弱层刚度比的要求，厚度为300或350的剪力墙较多，剪力墙墙肢较大，刚度也较大，相应的所分配的地震力也越大，尽管考虑剪力墙上开洞来减轻墙肢的刚度集中问题，但剪力墙仍有超筋现象。分析超配筋信息，对剪压比及轴压比超限问题通过提高混凝土标号和调整剪力墙布置来进行调整，对施工缝验算超限问题应通过在施工缝处附加竖向配筋来解决。

因主楼第13层层高较高，尽管计算模型中13层与其相邻上层的侧向刚度比值已大于1.1，但本层梁柱节点核心区剪力仍较大，框架梁柱节点域抗剪超限。解决方法为:1)在梁柱节点处框架柱内增设型钢提高框架柱抗剪能力。2)在梁柱交接处增设梁水平加腋加大梁柱节点截面。

剪力墙连梁在设计中考虑使其首先出现塑性铰，并进行内力重分布，实际结构模型计算中，对连梁刚度予以折减，使其内力转移到墙肢上，连梁出现抗剪不够超筋的情况较多。为了减少连梁超筋问题，本工程连梁设计时采用尽量减小连梁截面及设置双层连梁来减少超筋现象。

3 地基基础设计

根据地质资料场地中第2，3层土具有中等液化特性，结合其他土层的物理力学指标和特性，综合考虑基础形式采用钢筋混凝土灌注桩+承台+防水板基础。本工程基础设计需要注意以下两点：

1)因地下水位较高，防水板需进行抗浮力计算，进而验算得出裙楼部分柱下钢筋混凝土灌注桩为抗拔桩。

2)灌注桩承载力计算须注意液化折减。

3)灌注桩进行正截面受压承载力计算时，应考虑在桩身穿越液化土层时的压曲影响。

4 本工程的设计心得

框剪结构作为一种融合框架与剪力墙两种结构优点的结构形式，有效规避了两者的缺点，为大空间的高层建筑提供了一种可行的结构设计体系，从而在实际工程中得到了广泛的应用。在高层框剪结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件，剪力墙的多少将直接关系到建筑的经济性与可靠性。在设计过程中，框剪结构中剪力墙的布置，除了必须满足承载力要求外，还必须使结构具有相当的侧向刚度，避免在地震作用下产生过大的位移变形。剪力墙布置过少，会因结构产生过大的变形而无法满足使用要求；剪力墙布置过多，既增加材料的用量和结构自重，又减少了结构自振周期，地震作用效应增大。所以剪力墙的布置是建筑物是否安全和经济的最为关键因素。结合本工程框剪结构设计须注意以下几点：

1)注重概念设计，结构设计须按“强柱弱梁，强剪弱弯，强压弱拉”的设计原则设计。结构设计前重点分析工程的难点和容易忽略的地方。

2)结构具体设计时设置多道安全防线，增加结构整体和内部的冗余度，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失承载能力。

3)应避免结构局部出现薄弱层而使结构体系出现破坏，对结构刚度突变产生的薄弱位置采取合理的加强措施。

4)正确掌握计算机力学模型分析方法和截面设计。

5)充分利用构造措施，增大结构构件的安全保障。

5 结语

笔者通过某高层建筑结构设计实例，对实际设计中遇到的问题及解决方法进行概述。本着提升设计质量的愿望，提出以上粗浅的看法，供业内研究交流。

[1] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

Design problems and solving methods of the comprehensive high-rise building structure

Cheng Gaofeng

(ShanxiAcademyofBuildingDesign，Taiyuan030013,China)

Taking the comprehensive building engineering of Shanxi School of Administration as an example, the paper introduces the engineering structure distribution scheme, and explores major building and podium building optimizing design measures through integral computation, and finally puts forward specific solving countermeasures in light of design problems occurring in shear wall, frame column and continuous beam.

teaching building, podium building, shear wall, frame column, conceptual design

1009-6825(2016)18-0044-02

2016-04-16

成高峰(1981- )，男，工程师

TU973

A