摘要:本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計針對項目的實際情況,針對限、轉(zhuǎn)換及非荷載效應(yīng)等難點,根據(jù)安全、適用、經(jīng)濟的原則,提出了一系列的解決方案及構(gòu)造措施,可為類似高層建筑的設(shè)計提供了參考。并對結(jié)構(gòu)布置和選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計措施及計算進行了論述。
　　關(guān)鍵詞:高層建筑、結(jié)構(gòu)布置、計算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　1工程簡介
　　某大廈為大底盤雙塔樓建筑,總建筑面積約14萬m2,地面以下建筑面積約3萬m2,設(shè)4層地下室作為停車庫,其中負4層兼作6級人防地下室;地上部分建筑面積約11萬m2。本工程南北地塊統(tǒng)一布局,共設(shè)6層裙樓,不設(shè)結(jié)構(gòu)防震縫;裙樓以上樓建筑高度175.5m,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu);樓建筑高度99.7m,采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程抗震設(shè)防烈度為7度(商場區(qū)域為乙類建筑,抗震構(gòu)造措施按8度),場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第1組。
　　2結(jié)構(gòu)設(shè)計重點
　　本工程建筑造型獨特,裙樓建筑功能豐富,要求裙樓商業(yè)區(qū)域有較多的大空間,并對結(jié)構(gòu)高度作出了嚴格的限制,結(jié)構(gòu)設(shè)計中有以下問題需重點解決:
　　⑴房屋高度為175.5m,采用鋼管混凝土柱框架-核心筒體系,據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的A級高度為130m。
　　⑵大廈限結(jié)構(gòu)的位移控制及穩(wěn)定性驗算;
　　⑶大廈部分由于裙樓大空間的要求,造成多處豎向構(gòu)件上下不連續(xù),
　　需進行大跨度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換;
　　⑷豎向構(gòu)件差異變形的影響及分析。
　　3結(jié)構(gòu)布置和選型
　　根據(jù)建筑使用功能及立面的需要,本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,利用電梯井、樓梯間及設(shè)備用房等設(shè)置沿建筑物全高貫通的核心筒,框架柱則設(shè)置在建筑物周邊,以使建筑空間能靈活分隔。為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能及控制框架柱的軸壓比,框架柱和轉(zhuǎn)換桁架支柱均采用鋼管混凝土柱。
　　4結(jié)構(gòu)設(shè)計措施及計算分析
　　4.1整體計算分析
　　考慮本工程的特殊性,我們采用多個空間結(jié)構(gòu)分析程序進行計算對比分析,并對各程序的計算結(jié)果進行判斷后用于構(gòu)件設(shè)計。整體分析主要以中國建研院編制的《多層及高層建筑空間有限元分析及設(shè)計軟件》SATWE為主,采用PMSAP進行設(shè)計驗證;對于轉(zhuǎn)換桁架及轉(zhuǎn)換大梁等關(guān)鍵構(gòu)件則采用充分考慮構(gòu)件軸向變形的ETABS等程序進行重點分析。根據(jù)JGJ3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)要求,并為確保限結(jié)構(gòu)的安全,本工程計算中按《地震安全性評價報告》所提供的場地人工地震波輸入結(jié)構(gòu)作彈性動力時程分析;計算中按罕遇地震的地震影響系數(shù)對結(jié)構(gòu)作地震作用下的彈性內(nèi)力分析,把罕遇地震作用下的彈性內(nèi)力和豎向荷載進行組合,依次驗算落地剪力墻的抗剪強度以及樓板薄弱位置的抗拉、抗剪強度,保證其滿足強度要求(驗算時荷載分項系數(shù)取1.0,材料強度取標準值),以確保在設(shè)計罕遇地震作用下關(guān)鍵構(gòu)件不出現(xiàn)脆性破壞,從而保證符合“大震不倒”的設(shè)計原則。
　　針對本工程結(jié)構(gòu)X向高寬比為5.27及抗側(cè)剛度較小的特點,設(shè)計在采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)置外框架加強構(gòu)造寬扁梁及X向?qū)捔?采用提高豎向構(gòu)件強度及彈性模量而不加大構(gòu)件截面及重量的措施,從而達到提高剛重比的要求。本工程在風荷載及地震荷載作用下的最大層間位移見表1,地震荷載及風荷載作用下最大層間位移均未過規(guī)范限值1/694。
　　表1風荷載、地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移

　　注:括號內(nèi)數(shù)字為PMSAP結(jié)果。
　　4.2轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計
　　根據(jù)建筑立面和功能的要求,本工程部分局部結(jié)構(gòu)豎向柱構(gòu)件上下不連續(xù)貫通,需要進行豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換,考慮工程實際情況,轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)考慮采用以下3種形式:
　　1)采用局部梁上托柱轉(zhuǎn)換,通過在7層平面(裙樓屋面)設(shè)置1.8m厚的大跨度梁式及厚板式轉(zhuǎn)換層,厚板局部挖空并在其中埋置鋼箱暗梁,形成空間受力的寬扁鋼-混凝土組合轉(zhuǎn)換梁組,共同支撐上部結(jié)構(gòu)柱。這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)占用建筑空間較高,結(jié)構(gòu)剛度突變較大,抗震性能不甚理想,故設(shè)計中未作考慮。
　　2)采用斜撐式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(如圖1),斜撐角度約為51°。由于桁架上弦的拉力及斜撐水平分力的作用,部分剪力墻遠端墻肢存在受力及剪力較大,設(shè)計時采用反向斜撐平衡部分內(nèi)力,并在轉(zhuǎn)換桁架上下層柱及剪力墻中加設(shè)鋼骨,共同抵抗拉力及剪力,必要時可在剪力墻遠端墻肢加預(yù)應(yīng)力以減小墻肢的拉力。承受軸向拉力的框架梁,設(shè)計時采用與柱中鋼骨焊接連通的鋼骨混凝土梁。斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)盡管對上下層酒店有一定影響,但不影響下層大空間使用,
　　
　　圖1斜撐轉(zhuǎn)換側(cè)面示意圖
　　效果較理想,但由于水平構(gòu)件及豎向構(gòu)件均出現(xiàn)一定的拉力,故其構(gòu)造相對較復(fù)雜。
　　3)由于建筑方案的變化,設(shè)計上最終選用了采用傳力更合理的桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),其主要轉(zhuǎn)換構(gòu)件均采用抗震性能好的鋼-混凝土組合構(gòu)件。在不影響建筑功能使用的前提下,在4～5層間設(shè)置跨層桁架,既充分利用了空間,又提高了桁架的高度,能有效地減小桁架的撓度,使豎向構(gòu)件不再出現(xiàn)拉力,水平構(gòu)件的拉力可以大幅減小。由于轉(zhuǎn)換桁架跨度將近20m,兩端框支柱彎矩達5000kN•m,設(shè)計上考慮在轉(zhuǎn)換層對鋼管柱進行外包鋼筋混凝土以增大框支柱整體剛度,減小柱的平面內(nèi)變形,從而可減小桁架的撓度。另外,為減少托換柱與周邊柱變形差造成的梁端彎矩增大,設(shè)計中根據(jù)計算結(jié)果對轉(zhuǎn)換桁架的施工提出了嚴格的預(yù)拱要求。
　　4.3豎向構(gòu)件差異變形的分析及措施
　　本工程樓高層外邊框柱、裙樓部分大跨度兩端柱及樓轉(zhuǎn)換層以下的支承柱均采用承載力高及抗震性能好的鋼管混凝土柱,解決了高層柱、大跨度柱及框支柱采用普通鋼筋混凝土?xí)r截面過大的問題,但由于計算時對鋼管內(nèi)混凝土三向受力彈性模量不能真實模擬,帶來了鋼管混凝土柱壓縮變形普遍偏大的問題,再加上計算程序?qū)︿摻罨炷�土�?gòu)件徐變效應(yīng)的考慮不足,使部分主樓與裙樓相連的框架梁及高層塔樓框架梁出現(xiàn)了一些不合理的受力情況。針對以上情況,設(shè)計考慮以下解決辦法:
　　在樓與裙樓間設(shè)后澆帶,可有效地解決樓與裙樓柱壓縮變形差引起的問題。計算時以SATWE模擬施工方式①計算,考慮消除支座變形差時以豎向構(gòu)件剛度放大的模擬施工方式②對部分構(gòu)件進行設(shè)計,并結(jié)合不同結(jié)果綜合考慮。
　　樓外框柱與內(nèi)筒考慮施工時內(nèi)筒負荷先上、外框負荷后上的因素,在承載力及剛度滿足的基礎(chǔ)上適當減小內(nèi)筒墻厚并控制其軸壓比。在高層塔樓水平構(gòu)件設(shè)計時考慮以上因素,可避免不必要的構(gòu)件截面增大并可使配筋更為合理。
　　對轉(zhuǎn)換桁架及托換梁構(gòu)件在施工時進行適當?shù)念A(yù)拱,控制在恒載作用下構(gòu)件保持水平,可大大減小轉(zhuǎn)換構(gòu)件與其它構(gòu)件的撓度差,減少因支座位移差的梁內(nèi)力。
　　4.4樓層剛度局部削弱的問題
　　本工程除在電梯筒部位局部樓板開洞外,另在裙樓2、3層連接兩塔樓的中間樓板位置開有大面積洞口,其開洞面積小于塔樓平面面積的30%,但樓面開洞尺寸過樓面寬度的1/2。針對樓板因開洞削弱而產(chǎn)生的平面內(nèi)變形,設(shè)計上選用能考慮樓板變形影響的設(shè)計軟件進行整體內(nèi)力分析計算,采用彈性樓板假定,使結(jié)構(gòu)計算模型能更真實地反映結(jié)構(gòu)受力情況,同時按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.8條采取相應(yīng)的加強措施,每層建筑外周邊和裙樓室內(nèi)開洞周邊適當加高外框邊梁截面,并加強梁筋構(gòu)造,提高結(jié)構(gòu)的整體剛度,提高建筑物的抗震性能。
　　裙樓部分因建筑功能的要求,局部柱距達20m以上,且對使用凈空的要求較高,設(shè)計上局部采用鋼骨混凝土寬扁梁構(gòu)件,次梁采用井字樓蓋體系;兩棟塔樓的裙樓連接體樓板局部加厚至150mm,連接梁采用鋼-混凝土組合梁,增強兩棟塔樓之間的變形協(xié)調(diào)能力。