对高层建筑结构设计探讨 郭英伟（河北百川建筑设计有限公司） 摘要：随着我国经济的快速发展，全国大中城市高层建筑迅速增多，高层 ４结构计算与数据分析 建筑结构设计已成为建筑结构设计人员的重要工作内容。高层建筑层数和高 ４．１整体结构计算数据分析。由于本工程Ａ，Ｂ两塔对称，仅Ａ 度都逐渐增加，结构形式更是多样化、复杂化。为了使设计者对高层建筑的设 塔进行计算ｆ计算未考虑中间地下室相连），计算时取２７个振型，均 计有较好地了解，我们就以杭州某工程为例，介绍高层建筑的结构设计方案， 考虑平动和耦连两种情况，由于Ａ，Ｂ两塔涉及的内容基本一致，仅 本文对该方案的计算模型、转换层的设计和构造及内力分析做了简要介绍。 分析Ａ塔的计算数据由ＳＡＴＶｖＥ软件计算结果可以看出，结构基本 关键词：高层建筑转换层总结 周期Ｔ１在（０ ０６５～０ ０７５）Ｎ（Ｎ为层数）之间，属于合理范围，说明结 构总刚度合适：剪重比在２％左右符合抗震规范５．２．５条要求，转换 近年来，现代建筑越来越向多功能、综合用途发展，在同一竖直 层上下刚度比小于１．３，符合高规要求，转换层过渡平稳，结构竖向 线上，顶部楼层与下部楼层用途不同，不同的楼层需要大小不同的空 布置及刚度变化相对合理，框支柱轴压比控制在Ｏ．５５以内，角柱轴 间尺寸，采用不同的结构形式。从建筑功能上讲，上部需要小开间的 压比控制在０．５Ｏ以内。第一扭转周期与第一平动周期ｒ；ｋ４￣于Ｏ．９，振 轴线布置，需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的要求，下部共用部分 型参与质量达到总质量的９８％。 则希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要求大，墙体要尽量少，由 ４．２动力时程分析。根据场地地质情况，地震所提供了６条可能 于高层结构下部楼层受力很大，上部结构受力相对较小，正常布置应 出现的地震波，选用了其中比较符合实际情况的两条和～组人工模 该下部刚度大（墙多，柱网密），到上部刚度较小（墙少，柱网稀疏），但 拟地震波进行动力时程分析，弹性时程分析的计算结果与振型分解 为了满足建筑功能的要求，我们必须以跟常规相反的方式进行布置， 反应谱法的结果基本一致，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力 即上部布置小空间，下部布置大空间，上部布置刚度大的剪力墙，下 不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的６５％，多条时程曲线计 部布置刚度较小的框架柱，为了实现这一布置就必须在结构转换的 算所得的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法求得的底 楼层设置转换层。 部剪力的８０％。 ２工程概况 ５转换层的构造与设计 就以杭州某工程为例。本工程位于杭州某地区，该工程是集商 ５．１加强转换结构的整体性和刚度加强转换层及上下层楼板 场、办公、住宅为一体的综合性高层建筑，地下２层为停车库及设备 的厚度及配筋，转换层楼板厚度ｈ＝２５０ｍｍ，上下两层均取 房，地上２９层，分Ａ，Ｂ两栋塔楼，塔楼均为住宅，主楼主体 ｈ＝２Ｏ０ｍｍ。框支梁是转换层结构中最重要的受力构件之一，通过它 ９０．５００ｍ。由于该建筑功能的要求，本工程结构采用底部大空间转换 将上部墙体的荷载传递给下部框支柱，其受力相当复杂。在本工程中 剪力墙结构，转换层在第５层顶面，属高位转换结构，该地区地震设 存在“Ｚ”型墙，需要考虑上部墙体竖向力对框支梁产生的扭矩。 防烈度为６度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为 ①将两片错开的墙体假定为在同一平面内进行平面有限元分析 ０．０５ｇ，拟建场地为Ⅲ类场地土。结构抗震等级：转换层下剪力墙二 其内力，图形类似于大开口框支剪力墙；②根据整体计算结果中上部 级，框支柱二级，基础采用桩筏。为了满足建筑功能，结构必须处理好 墙体的竖向力手算框支梁的抗扭钢筋；③将有限元计算结果与手算 以下几个问题：①转换层转换结构方式的选择：②转换层楼层结构计 抗扭配筋叠加，由于梁宽比较大（这是由上部墙体的位置决定的），计 算层高的确定；⑧二级转换梁的处理。 算抗扭钢筋为构造要求。其他转换梁上墙体进行有限元分析，其正截 ３概念设计与结构布置 面配筋结果小于整体结构分析结果，在实际工程中偏安全地采用了 ３．１结构计算单元的确定。由于本工程主体分为Ａ，Ｂ两栋塔 整体结构，计算的结构进行转换大梁的截面和配筋设计。 楼，两栋塔楼之间为商业用房，但与主楼之间设置了伸缩缝，考虑地 转换层中柱的延性极为重要，为了提高柱的延性，采取了控制轴 下室墙体较多，地下室顶板（２００ｍｍ）厚度较厚，整体刚度较大，计划 压比、配箍率、纵向配筋率以及混凝土强度等级等措施。转换梁柱配 分成两个单塔模型。 筋较多，特别是节点处配筋相交情况更为复杂，实际钢筋很难准确到 ３．２转换结构的选型及布置。由于带转换层的高层建筑结构有 位，在设计中尽量选用了大直径、高强度钢筋，以减少钢筋根数，配筋 其自身的结构弱点，因此《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１ １—２００８）和 应有足够的余量。同时转换梁板在施工中需考虑支撑方案。支撑层所 《高层建筑混凝土结构技术规程》（ＪＧＪ３—２００２Ｊ１８６—２００２）都对其 受的梁板荷载，施工荷载等应在设计中考虑，所以转换层以下梁板截 做了严格的规定，特别是对高位转换的结构做了更为严格的规定， 面，配筋均应适当加强。另外转换梁混凝土的施工过程中应采取措 由于总体结构竖向传力构件的不连续，造成结构上荷载不能传递 施，以防止在浇筑过程中及混凝土浇筑初期产生裂缝。 给下部对应的结构构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下 ①严格控制混凝土的配合比，控制混凝土的水灰比、水泥用量、 传递给下部结构的竖向构件，因此转换构件相当重要而且受力非 砂率及坍落度不要太大，尽量采用高标号及低水化热水泥，降低水泥 常复杂，保证转换结构正常地、可靠地、有效地工作是结构设计的 用量：掺加一定量缓期凝型减水剂和微膨胀剂，降低水灰比，在满足 重点。结合本工程建筑方案的要求，经多方案的比较，本工程采用 泵送混凝土的前提下，尽量选用粒径大且级配良好的粗集料，严禁采 梁式转换（因梁式转换的设计较其他转换而言受力明确，传力简洁， 用粉砂，严格控制砂石的含泥量。②梁板混凝土中应掺加聚丙烯抗裂 计算模型简单容易符合实际情况），同时增加转换层板厚（２５０ｍｍ） 纤维（直径小于２４ ｍ，长度不小于１ｍｍ），混凝土中掺量不少于 并双层双向配筋，以符合刚性楼板的假定。由于转换层上下存在不 ０．８Ｋｇ／ｍ。，同时现浇板混凝土中应掺１ Ｏ％（水泥重量）的ＵＥＡ２１Ｖ膨 同的结构形式，使结构刚度在转换层上下出现刚度突变，对结构的 胀剂（替代水泥用量）。 抗震性能极为不利，为此本工程采取了以下措施进行处理：①尽量 ５＿２框支梁以上剪力墙采取的构造措施。①尽量减少墙肢的长 保证落地剪力墙的数量，落地剪力墙在转换层以下加厚，并在适当 度，使转换层上下刚度尽量接近，以满足规范要求。②由于与转换梁 的位置（不影响建筑使用功能的情况下）增加底部剪力墙肢的数量， 相近的墙体参与了与转换梁共同工作，同时分担了转换梁的部分内 以增强底部刚度。②尽量拉大上部剪力墙的间距，减少墙肢的数量 力，本工程特别加强了转换层以上３层的墙体截面及构造配筋。和长度，减少墙体的厚度等措施，来调整转换层上下刚度使其变化 ６总结 对于复杂高层建筑结构体系，必须认真做好概念设计并分析结 较为均匀，过渡平稳，尽量接近。③控制框支柱的轴压比为０．５左 右（小于０．５５）￣ｎ体积配筋率及全部纵向钢筋配筋率不小于１．６％， 构的薄弱环节，建立较为简洁可靠且符合实际的结构计算模型，注意 因为框支柱是转换梁的支撑构件，其上作用的荷载较大，为了保证 框支梁框支柱配筋的特殊性，另外数据的输出量比较大，需要对计算 适时地对结构布置进行修改、优化，才能得到正 结构破坏时不出现柱铰机构的不利破坏形态，必须保证框支柱具 结构进行分析、评判，确的设计结果。 有足够的延性和变形性能。 １概述 ２２１
