重庆大学高层结构分析设计课程论

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1、武汉市国粹香舍1#高层住宅楼设计分析摘要 近期，高层住宅大量涌现，如何在设计过程中使结构方案经济合理已成当务之急。由于目前的高层住宅结构设计大多数是根据已经确定好的平面和竖向布置，先假定好构件尺寸，分别采用广厦SW和SATWE两种程序进行结构的空间分析，以求正确反映结构的内力与变形情况，电算一般是个别指标超限，则对这部分进行调整，至于整个方案是否完善，构件尺寸假定是否太大，则心中无底。很多时候都会产生不必要的浪费。另外，住宅布置有时候建筑考虑立面和内部空间，使结构产生很多不合理之处。关键词 高层住宅；结构方案；广厦SW；指标超限1 高层住宅的几种结构形式1.1框架结构: 其优点主要是结构布置灵

2、活, 较大的室内空间, 尤其是底层空间可以较大, 使用较为方便。缺点是框架柱截面很大且突出墙体, 直接影响到户型的实际使用面积及家具布置。且建筑平面布置需要十分规则。1.2异形柱框架结构: 其特点类似于框架结构, 且柱宽与墙厚相同。解决了室内空间使用的问题。缺点是此种结构形式太柔对抗震不利, 房屋适用高度很低。1.3 框架剪力墙结构: 较多的用在高层结构中。外部框架结构主要承受竖向力, 框架布置灵活。电梯井为剪力墙承受大部分水平荷载。此种结构形式比较适合于商业和商住等有大空间需求的建筑。缺点也是外露的框架柱会影响使用。1.4 剪力墙结构: 根据建筑平面布置设置钢筋混凝土剪力墙, 无外露柱子很好

3、满足了建筑平面的使用要求。缺点是结构刚度大、自重大、地震反应大。建筑和结构布置不合理的话也会增加钢筋用量。1.5 短肢剪力墙结构: 是一种剪力墙墙肢较短的特殊剪力墙结构, 短肢剪力墙结构布置十分灵活, 结构特点也和剪力墙结构类似。在非地震区和地震烈度较低的地方短肢剪力墙结构要更为经济。2 高层住宅设计要点2.1 总体指标控制 计算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值。地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底郎剪力和总弯矩是否在合理范围中。总体指标对建筑物的总体判别十分有用。譬如说若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费

4、，但刚度太小，结构变形太大，影响建筑物的使用合理的刚度是多少，对于小高层住宅H取l2500-l3500，刚重比在10-15之间是比较合理的。周期约为层数的0.06-0.08倍之间。另外，对结构布置扭转的控制：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大干该楼层平均值的1.2倍，不应大干该楼层平均值酌1.5倍。当然，对于顶层构件可不考虑在内，否则很难满足上述指标。2.2 配筋及构造设计 对于高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。 (1)剪力墙墙体配筋（以200厚墙体为例）一般要求水平钢筋放在外侧，竖向

5、钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。加强区中10200，非加强区中8200双层双向即可，双排钢筋之间采用中6600x600拉筋。但地部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下为增大计算墙体有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按地下工程防水技术规范第4.1.6条规定：迎水面保护层应大于50mm，且在保护层内按混凝土结构设计规范第9.2.4条规定增设双向钢筋网片。在这种情况下，很多设计人员在进行外墙裂缝验算时有效截面高度仍按保护层50mm计算，笔者认为

6、是不妥当的。当采取了双向钢筋网片后，计算保护层厚度至少可按30mm来取值，这对节省墙体配筋效果相当明显。 (2)剪力墙按规范应设置边缘构件，一、二级抗震设计的剪力墙底郎加强部位硬其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件，其余剪力墙应按高层建筑混凝结构技术规程第7.2.17条设置构造边缘构件。本节仅就构造边缘构件的配筋作一点讨论。首先要区分剪力墙的受力特性及类别，即：普通剪力墙（长墙），短肢剪力墙，小墙肢和一个方向长肢墙而另一方向属短肢墙来区别对待配筋。对于普通剪力墙，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率，建议加强区0.7%，一般部位0.5%。对于短肢剪力墙，应按高规第7.1.2条控制配筋率加强区1.

7、2%，一般部位10%。对于小墙肢其受力性能较差，应严格按高规控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%，一般部位1.0%而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体，设计中往往就按长胺墙进行暗柱配筋，这并不妥当，建议有两种方法。其一，计算中另一方向短肢不进入刚度，则配筋可不考虑该方向短肢影响，其二，计算中短肢进入刚度，则配筋中应考虑该方向短肢的不利影响。建议该短肢配筋率加强区1.0%，一般部位0.8%。 (3)剪力墙中的连梁跨度小，截面高度大，在地震作用下弯矩，剪力很大，有时很难进行设计，如果加大连梁高度，配筋值有时反而更大。连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶

8、算到楼面标高。对于门洞，上述所示情况梁的高度是一样的但对于窗洞，连梁高度如果从窗洞算到上一层窗底，有时则高度太高，这样高跨比太大，并且与计算图形不符，相应配筋亦较大，不合理。连梁高度计算与设计统一规定从洞项算到楼板面或屋面，对于窗洞楼面至窗台部分可崩砖或其他轻质材料砌筑。对干窗台有飘窗时，可再增加一根梁，两根梁之间用砖填充。连梁配筋应对称配置，腰筋同墙体水平筋。 (4)目前，各设计院在剪力墙的楼层处均设置暗梁，而对睹梁的作用及配筋亦各有理解。对于框架一剪力墙结构，如剪力墙周边仅有桂而无梁时，则设置暗梁，并且要求剪力墙两端是明柱，这是因为周边有梁柱的剪力墙，抗震性能要比一般剪力墙要好。剪力墙结构

9、则没有这方面的要求，在墙板交接处设置暗梁对加强墙体整体性作用还是有的，但究竟有多大则无从确定。因此，就目前而言，在楼层位置设置暗梁是可行的，但没有必要设置太火断面及配筋，建议底部加强区断面可取墙厚x300，配筋上下各216一般底部加强区断面可取墙厚x250，配筋上下各2中14即可。总之，高层设计时如何把握好合理性，经济性至关重要。在规范允许范围内，合理把握关键部位及次要构件，什么地方应加强，什么地方可以放松，对于整个建筑物保证安全及降低造价影响巨大，这也是我们在今后的设计中要不断提高及改进的。3 武汉市国粹香舍1#高层住宅楼设计分析3.1工程概况工程名称：武汉市国粹香舍1号楼设计；建筑层数和面

10、积：三十三层，20000m2；建筑高度：室内外高差0.8m，建筑高度47.4m；建筑结构形式：框架-剪力墙结构；工程环境：本工程位于武汉市；设计使用年限：50年；抗震等级：三级；设防烈度：6度，场地为III类；耐火等级：II级；3.2 结构设计说明工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地土的类型为中硬场地土，建筑场地类别为类，设计地震特征周期值为0.35s。主楼上部结构采用现浇钢筋混凝土框架一剪力墙结构。框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为三级；底部加强部位剪力墙抗震等级为二级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级。地下车库采用现浇钢筋混凝土框架结构，

11、抗震等级为三级。结构平面布置见图1。10 / 10图1 标准层平面布置图4 设计主要问题4.1结构转换工程层3以上为剪力墙小户型住宅，层1、2为商业、娱乐用房，需要较大开间及空间，上部的短肢剪力墙无法落地，因此存在结构转换问题。针对工程实际情况，并考虑到造价的因素，在转换层设置转换大梁，以承托上部短肢剪力墙。由于转换梁承托着上部24层的剪力墙，受力很大，因此需要很大的截面和配筋，即需要转换层下层有较大的层高。按照抗震规范表3.4.2-2对于侧向刚度不规则的定义，尽量使层2与层3的侧向刚度比大于70%。经与建筑专业人员协商，在转换层以下部分山墙两端及房间开间两侧设置剪力墙，加大房屋的整体刚度及抗

12、扭刚度。同时转换层以下不设管道层，在3米标高处设置管道通廊，将设备管道由此引出室外，从而将转换层下层的层高由5.4米降到4.8米。经过计算，满足了侧向刚度规则的要求，该转换层结构方案传力途径明确，受力状况相对简单，对框支构件另采用平面有限元的程序进行单独分析，并与总体计算结果对比，以保证关键构体的抗震安全。值得注意的是，转换层大梁不是框支梁。框支梁上部承托完整的剪力墙需满足高规规定的条件，框支梁整截面受拉。转换梁和普通梁一样单面受压或受拉，在构造要求上与框支梁不同。高规对框支梁的构造有非常详细的要求，对转换梁的规定很少。结合以往的工程经验，转换梁在满足框支梁混凝土强度等级、开洞构造要求、纵向钢

13、筋、箍筋构造要求以外，还需要满足已下两点： （1）转换梁断面宜由剪压比控制计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率，适宜剪压比限值在有地震作用组合时，不大于0.15。 （2）转换梁腰筋构造以梁高中点为分界，下部腰筋间距100mm，上部腰筋间距200mm，直径不小于18mm，尚应满足:AshSbw(x-t)/yh。4.2结构抗扭工程采用广厦结构计算程序按平扭耦联进行抗震计算分析。在结构初步计算时，没有对剪力墙的平面布置作出适当调整，结构扭转为主的第一自振周期压与平动为主的第一自振周期下之比为0.96，扭转周期偏大。由于实际条件的限制，建筑专业能做的调整有限，只能由结构专业采取措施：即通过加强结

14、构的抗扭刚度，从面提高结构的抗扭能力，当结构出现扭转时也能保证安全。从力学基本概念可知，构件离质心越远，其抗扭刚度就越大。所以，在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构，可以显著加大结构的抗扭刚度。经与建筑专业协商，在A、C座的两端尽可能布置纵向剪力墙，从计算结果看，其扭转周期显著减小，周期比满足规范要求。在设计时将两端剪力墙、框架柱、框架梁刚盘适当提高，端跨板加厚，双层双向配筋，以加强结构的连接。针对中部楼电梯间凹进比较严重，计算时该部分楼梯采用弹性假定，设计时对核心筒剪力墙配筋适当加强，核心筒楼板及与之相连的两侧梁板截面加大，配筋加强。从计算结果分析，楼层的最大弹性水平位移与该楼层两端弹性水平位移

15、的平均值之比均小于1.2，结构的扭转效应并不明显。说明通过采取一定的构造措施，可以改善建筑平面不规则布置所引起的扭转效应。5 对结构处理的总结 工程结构存在着以下不利因素:平面凹凸不规则，竖向抗侧力构件不连续，侧向刚度变异大。为了保证结构的抗震安全，有必要采取措施，一方面使结构计算符合实际情况，力求能准确反映结构的抗震能力及薄弱环节;另一方面也要按照概念设计的原则，在构造上采取措施，进一步保证结构安全。具体措施如下: (1)分别采用广厦SW和SATWE两种程序进行结构的空间分析，以求正确反映结构的内力与变形情况。两种程序分析出的结构反应特征、变化规律基本吻合，各种指标均能满足规范要求。(2)

16、对框支构件采用平面有限元分析程序EQ验算配筋。需注意转换梁的构造要求。将转换层及其上下两层楼板加厚，钢筋双层双向拉通配置。 (3)针对平面不规则的情况，在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构，外围及核心筒构件截面造当加大，配筋适当加强。侧向刚度比（括号内表示Y方向）层号层侧向刚度比值(本层/上层)比值(本层/上层平均值）12148907.171.19(1.31)1.45(1.84)-4270476.2922024948.761.71(2.02)1.43(1.86)-3264230.1931184726.70.70(0.78)0.86(0.98)-1016425.4141782948.211.41(1

17、.33)1.59(1.55)-2085368.72结构自振周期（秒）振型周期单个振型参与质量(%)X平动Y平动扭转13.069111.4553.170.5123.068658.2410.740.0732.637900.5464.9340.971614.640.16050.81560.2412.164.2360.789505.459.87转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比：转换层下部1-3层H1=15.60米转换层上部4-8层H2=14.50米X方向刚度比=0.4355Y方向刚度比=0.32406 结语 随着城市化进程的不断加快，城市建设用地越来越紧张，为提高用地效率，城市建筑大多朝向高层和超

18、高层发展，这也为建筑的结构设计提出了更高的要求。因而我们广大建筑设计人员应熟练掌握高层建筑结构设计的相关要点，合理选择建筑结构体系，做好结构设计的计算和优化，提高建筑的结构安全性，降低设计和建造成本，为社会创造出更多的高层建筑精品。参考文献：1住宅建筑设计规范（GB50096-2011）. 北京：中国建筑工业出版社，20112建筑结构设计规范（GB500092001）.北京：中国建筑工业出版社，20013混凝土结构设计规范（GB500102010）.北京：中国建筑工业出版社，20104混凝土结构工程施工质量验收规范（GB502042002）.北京：中国建筑工业出版社，20025混凝土结构工程施

19、工质量验收规范（GB502042002）.北京：中国建筑工业出版社，20026混凝土结构设计（第三版）.沈蒲生.北京：中国建筑工业出版社，20087高层建筑混凝土结构技术规程.(JGJ3-2002). 北京：中国建筑工业出版社, 2002。8建筑抗震设计规范.（GB50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010。10结构力学（第三版）李廉锟.北京：高等教育出版社，200611荷载与结构设计方法.许成祥，何培玲.北京：北京大学出版社，200612高层建筑结构设计.方鄂华等. 北京：中国建筑工业出版社，200813房屋建筑学同济大学，西安建筑科技大学，东南大学，重庆大学等主编. 北京：中国建筑工业出版社，200814工程结构荷载与可靠度设计原理（第二版）李国强，黄宏伟，郑步全等主编.北京：中国建筑工业出版社，200715建筑设计资料集（4，8）.林晨主编. 北京：中国建筑工业出版社，200916多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例.李国胜.中国建筑工业出版社. 2004。