論高層建筑的結構分析與設計
摘要：目前，高層建筑的結構設計已經成為了高層建筑設計的重點內容，文中筆者結合具體工程設計實例，對高層建筑結構設計展開了研究與分析，并通過大量的計算與分析對高層建筑結構設計提出一些建議和意見。
關鍵詞：高層建筑;結構體系;分析計算
1、工程概況
某工程建筑平面尺寸為長94.8m，寬13.2～24m，平面形狀為梯形，屬板式高層建筑。建筑總面積為22000m2,其中地上建筑面積19140mz，地下建筑面積2860m2。地上18層，地下1層，地上最大建筑高度為89.110m。地上1—2層為商業用房，3層為設備層，4層以上為標準辦公公寓。1層高7.17m，2層高4.98m，3層高2.19m，4層以上標準層高4.98m。地下室為立體停車庫及設備用房，按核六級兼平戰轉換人防設計。
2、基礎設計
建筑場地地形平坦、穩定，無液化土存在，自然場地下50m左右有承載特性較好的卵石層(層6)。基礎形式采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁徑采用010oo，0900，0800三種類型，有效樁長45m，為提高樁端承載力及減小樁基變形，對樁端進行壓力注漿，根據靜載試驗結果，OlO00單樁豎向承載力特征值為5400kN。外圍純地下室范圍內設置鉆孔灌注抗拔樁，框架柱下設置獨立多樁承臺，核心筒下設置群樁筏板式承臺，筏板厚1.0m。底板按肋梁式布置，底板厚400mm，外壁板厚350mm，采用C40防水混凝土，抗口等級為P8。根據地勘資料，地下水位常年位于自然地面以下O.5m航浮設防水位較高，為室外地坪標高，地下室抗浮穩定性應滿足下式要求。
W ≥1.05F(1)式中：w 為地下室自重及上部結構作用的永久荷載標準值的總和;F為地下水浮力。
由于抗浮設防水位較高，若采用增加結構配重的方式進行抗浮設計無法滿足式(1)要求。工程采取設置抗拔樁進行抗浮設計，需抗浮的柱下布置1～2根抗拔樁，口1000單樁抗拔承載力特征值為1800kN。
3、結構設計及計算
3. 1結構主體設計建筑結構設計使用年限為5O年，結構安全等級為二級，建筑抗震設防分類為丙類，場地抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地為Ⅲ類。基本風壓0.5kN/m (j安100年重現期)，地面粗糙度為B類。
建筑主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結構，其中剪力墻和框架的抗震等級均為三級。樓面采用主次梁結構布置。標準層結構布置如圖1所示。
結構設計的主要特點在于建筑的平面、豎向體形和復式結構。建筑地上部分平面形狀依據場地形狀設計，近似梯形，斜邊夾角7。，存在斜向抗側力體系。樓板平面較狹長，而3層以上每層樓板開洞面積為樓面面積的10%，且奇偶層由于空中花園的隔層設置造成樓板開洞面積、位置不同，屬于抗震規范中平面不規則形狀。由于12層內收尺寸突然變大，造成結構在豎向上側向剛度不連續。導致在地震力作用下，容易使結構產生扭轉變形。1層及以上各標準層均待主體驗收后結合裝修設置夾層，夾層主次梁采用型鋼結構，樓蓋采用組合樓板。形成施工階段結構層數為18層，而使用階段實際結構層數為27層，由于使用階段標準層高僅為2.5m，造成框架柱凈高與截面高度之比均小于4，減小了柱的延性。
通過整體結構計算顯示，在地震力作用下，建筑物位移值較大的點出現在建筑高度的中上部，平面上的邊角點。因此設計中在平面南北端部附近，利用電梯問設置剪力墻，并且盡量使剪力墻形成封閉簡體，使結構抗側剛度得到加強，減少建筑端部的扭轉變形。l2層部位豎向內收造成結構偏心，在方案調整計算時發現，12層部位由于側向剛度突變，局部產生扭轉變形，引起邊角部位豎向構件彎矩和剪力產生較大增量，可能成為薄弱層。采取的措施是在12層外墻局部部位增設剪力墻，以加大樓層的側向及扭轉剛度、減小偏心率及豎向構件內力附加值。經計算，增設外部剪力墻后，該樓層抗側剛度提高了20%;抗剪承載力提高了18% ;偏心率減少了50%;地震力作用下最大層間位移減少了29%;偶然偏心影響的地震力作用下樓層最大位移與平均位移比值由1.42降至1.29;框架角柱、邊柱剪力和彎矩均有不同程度減少，其中局部角柱剪力減少約4% ;豎向構件計算配筋均在合理范圍內。通過以上定量分析可得，適當增加樓層局部抗側力構件可改善豎向內收造成的不利影響，減少結構側向剛度突變。在施工圖設計中，特別加強12層及相鄰層角部梁柱的截面和配筋，其抗震等級提高一級，并加強構件抗震構造措施，以提高其延性。
施工圖設計中主要豎向構件截面變化如表1所示，框架柱及剪力墻的混凝土強度等級：3層以下為C50，4—8層為C45，9～12層為C40，13層以上為C35。
3.2結構計算主體結構采用多高層建筑結構三維分析與設計軟件SATWE (墻元模型)進行分析計算，并用ETABS進行計算校核，計算中考慮地震和風荷載作用最不利方向，考慮偶然偏心和平扭耦聯計算結構的扭轉效應，振型數取l5，并且在斜交抗側力方向附加地震力計算，對有夾層(模型1)和無夾層(模型2)兩種情況分別進行整體計算，計算結果見表2～5。以上兩種模型經ETABS程序計算復核，其結果與表2～5中計算結果基本吻合。
根據規范要求對有夾層的結構(模型1)進行彈性時程分析補充計算，選取Ⅲ類場地土，特征周期為0.45s的兩條實際波和一條人工模擬的加速度時程曲線進行動力時程分析，輸入分量地震峰值加速度為18cm/s2，結構阻尼比5%。從計算結果可看出，模型1結果顯示結構的主振型以平動為主，扭轉振型周期與平動振型周期的比值為0.60。整體計算的各項指標均滿足規范的有關要求。彈性時程分析計算所得的單條波結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%。三條波平均底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。振型分解反應譜法彎矩和剪力曲線均大于彈性時程分析計算的結果。
無夾層的`結構(模型2)結果顯示結構的主振型以平動為主，扭轉振型周期與平動振型周期的比值為0.54。整體計算的各項指標也均滿足規范的有關要求。
通過對比模型1和模型2計算，得到以下結論。
(1)兩者結構振動周期發生變化，模型1振動周期小，模型2振動周期大，其中第一平動周期相差幅度約11%，但扭轉周期差別不大。說明在結構平面和豎向體形不變的前提下，僅增加結構計算層數和改變層高會導致整體結構平動周期變小。
(2)地震作用下兩者基底剪力和傾覆力矩發生變化，模型1基底剪力和傾覆力矩大，模型2基底剪力和傾覆力矩小，其中基底剪力和傾覆力矩相差幅度約12%一14%。說明增加結構計算層數和改變層高會導致整體結構基底剪力和傾覆力矩增大。
(3)地震和風載作用下兩者樓層最大層間位移比相差不大，但樓層最大位移值有區別，模型1樓層最大位移相比模型2小。說明增加結構計算層數和改變層高會導致整體結構樓層最大位移變小。
(4)兩者框架柱及剪力墻內力發生變化，以底層為例，地震力作用下模型1框架柱承擔的剪力和彎矩明顯大于模型2。框架柱剪力占總剪力的百分比由3 7%增加至6.5%(x向地震).3.9%增加至6.4%(Y向地震)。框架柱彎矩占總彎矩的百分比由33%增加至37%(X向地震)，26%增加至29%(Y向地震)。盡管剪力墻承擔大部分整體彎矩和剪力，但兩者框架柱和剪力墻端柱承擔的彎矩和剪力是有差別的，按最不利取值，設計應以模型1計算結果為依據。
綜上所述，對此類復式結構，設計應將各夾層部位輸入計算模型中，使其共同參與整體工作，相應的計算結果和截面設計更符合實際受力情況。不應為了簡便，人為將夾層結構通過人工輸入荷載的形式直接加載至樓層梁柱上，這樣會導致構件內力計算值偏小，從而使截面配筋不足和局部節點構造措施不合理。
4、結語
隨著高層建筑在我國的迅速發展，建筑類型與功能愈來愈復雜，建筑專業和業主給結構設計提出的要求也更加復雜，成為結構工程師設計工作的主要重點和難點。文中筆者重點分析了高層建筑結構設計問題及對策，為相關專業人員提供借鑒。
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