高层建筑结构设计的探讨

高层建筑结构设计的探讨
摘要：本文针对一高层建筑结构设计实际分析，结合其工程情况，重点对高层建筑结构设计中的地下室结构设计及上部结构设计等方面进行了相应的探讨。

关键词：高层建筑；地基基础；地下室；地震力；结构设计
0 引言
某高层建筑总建筑面积约60000㎡，大楼主楼由两栋26层高层建筑和三层综合用房及两层地下室组成，住宅塔楼建筑高度80.25m，地下室长111.86m，宽67.99m，塔楼采用剪力墙结构。

该地区抗震设防烈度为6度，基本风压0.45kN/㎡。

工程场地属河流冲积阶地型地貌单元，地层自上而下依次为人工填土，粉质粘土、粉砂、圆砾和泥质砂岩风化层，地下水类型为赋存于人工填土和粉质粘土中的上层滞水和赋存于粉砂和圆砾中的潜水，其中粉砂和圆砾为主要含水层。

地下水主要来源于大气降水、地下水渗透及附近河水渗透。

钻探揭露水位在自然地面下2.4～6m，水位随季节变化。

地基土类别属中软场地土，建筑场地类别Ⅱ类，场地为稳定场地。

1 基础方案
基础方案是根据地质资料以及建筑物结构形式，采用人工挖孔桩基础，持力层为中风化泥质砂岩，桩端扩底，按端承桩设计。

部分桩挖至该层时出现流砂现象，为解决这个问题，采取以下措施：
1）发现流砂层时，减少每节护壁高度，可用30～50cm。

混凝土加速凝剂加快凝固速度。

2）水量较大时，采用钢护筒施工。

3）采取措施降低水位，可利用附近无流砂的桩孔，将其先行挖深作集水井用。

水位降低后再挖有流砂层的桩孔。

2 地下室设计
2.1 结构超长处理措施
地下室共两层，建筑面积约14000㎡，地下室平面尺寸长111.86m，宽67.99m。

从建筑的功能、结构整体性及防水等方面考虑，不设伸缩缝，仅以后浇带的形式将之分成四部分。

为减少温度变化和混凝土收缩产生的影响，在设置后浇带的同时，还采取以下措施：
1）±0.000平面纯地下室部分设保温层，并覆土400mm厚；
2）适当加强±0.000平面非人防区楼板配筋；
3）混凝土内掺适量的减水剂和膨胀剂。

另外，地下室底板、地下一层楼面、±0.000塔楼楼面及地下室外墙和部分内隔墙因考虑人防荷载，楼板及墙体配筋均为双层双向，配筋足够强，可抵抗混凝土的温度裂缝。

2.2 抗浮设计
纯地下室部分结构因其自重小于地下水浮力，故桩基设计在考虑承重的同时，还考虑抗拔。

为提高抗拔力，挖孔桩采用扩底的形式，桩端嵌人中风化泥质砂岩1.5m，桩长不小于10m，桩径Ф800。

通过扩底，增加抗拔承载力，单桩抗拔承载力设计值为2000kN，工程抗拔桩在水位低时，承受上部结构自重及活载，布置基本上按柱位一柱一桩。

需考虑抗拔的桩共139根，最大水位时，基底承受的水压力为70.8kPa。

3 上部结构
3.1 结构型式
高层建筑随着建筑物高度的增加，水平荷载迅速增长，为抵抗水平荷载及控制水平荷载引起的变形，要求建筑物具有足够的抗侧能力。

剪力墙结构体系具有很大的侧向刚度，能承担相当大的水平荷载，且结构水平位移小。

高层建筑在建筑功能上，要求结构隐梁隐柱，采用剪力墙结构，能较好地满足这一要求。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）A级高度全部落地剪力墙结构在6度设防时最大高度为140m，采用较多短肢剪力墙时，该高度应适当降低。

工程塔楼建筑总高度80.25m，采用剪力墙结构体系，符合规范要求。

从以上方面考虑，塔楼采用剪力墙结构体系，剪力墙全部落地至基础。

由于建筑上设计为弹性可变住宅及外墙开窗的要求；剪力墙布置受到约束，部分剪力墙截面高厚比在5～8之间，即成为短肢剪力墙。

对短肢剪力墙，可采用提高抗震等级，控制轴压比，增加配筋率来提高抗震性能。

为避免竖向刚度突变，地震时因塑性变形集中效应产生过大的层间位移而导致结构破坏，低层裙房与主楼之间设置防震缝，±0.000以上完全脱开。

裙楼采用框架结构。

3.2 抗震概念设计与结构布置
高层建筑结构计算在很大程度上是一种校核验算。

上机计算前，结构构件的布置及截面尺寸都应事先确定。

由于结构构件布置及构件尺寸对地震作用影响很大，因此，布设时首先要考虑抗震概念设计的要求。

工程主要从以下几方面考虑：
1）工程塔楼建筑平面在抗震概念上属凹凸不规则平面，为减少地震作用的不利影响，防止抗震薄弱部位过大的应力集中和塑性变形集中，采取以下措施：楼层平面凹口处加强梁、板配筋，板配筋按双层双向配置，并增设拉结板、拉梁。

拉结板厚120，配Ф12@200双层双向钢筋网。

部分拉梁从建筑上考虑隔层设置。

另外，在程序计算时考虑扭转耦连影响，并按弹性楼板假定进行验算。

2）由于建筑物自重的增加会引起地震作用的增大，从这方面考虑应尽量减少结构的自重。

减轻自重主要从以下几方面考虑：①填充墙采用轻质墙体；②竖向构件采用较高标号混凝土提高强度，以减少墙体厚度，从而减轻自重；③竖向构件变截面设计以减少自重。

（3）竖向刚度均匀变化。

（4）裙楼与塔楼之间设置防震缝，±0.000以上完全脱开。

（5）结构的基本自振周期尽量避开场地的卓越周期。

（6）考虑到在增加结构刚度的同时，地震作用也增大，为避免刚度过大而引起工程浪费，在保证承载力以及构造要求的前提下，适当减薄墙体厚度，加大墙体间距。

同时也要考虑避免刚度过小而引起位移过大甚至承载能力的不足。

（7）强墙弱梁原则，避免连梁刚度过大，保证地震破坏时连梁屈服先于墙肢。

通过以上各方面的考虑，再进行程序计算，选取合理的结构布置和构件尺寸。

工程塔楼主要结构尺寸：墙厚350、240、200mm，沿竖向变化，楼板采用现浇钢筋混凝土梁板结构，一般主梁高600。

竖向构件混凝土标号取值：自下而上由C50、C45、C40、C35、C30，按楼层均匀变化并错开墙体变厚度处楼层2层。

3.3 结构计算
结构计算采用中国建筑科学研究院编制的软件SATWE，并用TBSA5.0进行校核。

两种程序均采用振型分解反应谱方法进行抗震计算。

区别在于，SATWE 剪力墙按墙元模型进行结构空间分析，精度较高。

而TBSA剪力墙按薄壁杆件进行空间分析。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010），工程抗震设防烈度为6度，基本地震加速度为0.05g，该地区设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地特征周期
为0.35s，根据地质报告提供的数据，场地内地基土卓越周期X方向为0.285s，
Y方向为0.263s。

按最新《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010），工程应进行地震作用计算，抗震等级一般剪力墙为三级，短肢剪力墙为二级。

考虑到地下室底盘大，而且增加许多人防墙体，刚度已足够大，另外，底盘大地基土的约束作用也强，因此，在上部结构计算时按结构在±0.000处嵌固考虑，将地下室与上部结构分开计算。

塔楼计算主要结果见表1和表2。

表1 地震力的自振周期、基底的剪力和弯矩
由于所采用电算程序的位移输出是针对原《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ 3—91）的要求输出的，表2中规范限值u/h仍按（JGJ 3—91）取值。

而工程按新《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）对位移的限制是：在重力荷载、地震作用、风荷载等组合作用下最大层间位移角⊿u/h不大于1/1000。

根据表2中数据及新规范对荷载组合的要求可以推断，工程可满足新规范的要求。

另外值得说明的是，由于新规范对荷载组合，分项系数等作了部分修改，而电算程序采用老规范，故本工程在荷载输入时作了适当换算。

3.4 主要抗震构造措施
1）所有短肢墙均设翼缘，抗震等级按二级，轴压比控制在0.6以下，纵筋配筋率底部加强区不小于1.2%，其他部位不小于1.0%。

2）剪力墙端部及纵横墙交接处均设暗柱或端柱等约束边缘构件。

3）尽量避免楼面梁垂直支承于剪力墙上，无法避免时，在墙与梁相交处设置暗柱。

4）顶层楼板及墙体变厚度处楼板厚120mm，双层双向配筋。

5）顶层连梁纵向伸人墙体长度范围内，配置构造箍筋，间距不大于150mm，直径同连梁箍筋。

6）墙肢长度大于8m时，采用开设结构洞的方法将其分成联肢墙。

7）适当降低连梁截面高度，并对计算配筋较大的连梁进行层间调幅，即降低该连梁弯矩设计值，同时将相邻楼层相同部位的连梁弯矩设计值适当提高，降低幅度宜在20%以内。

8）对计算剪力过大的连梁，沿连梁对角线方向配置X交叉钢筋。

4 结语
地下室结构施工现已顺利完成，上部结构正在施工中。

到目前为止，地下室结构尚未发现裂缝，有待进一步观察。

参考文献：
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）.
[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）.。