随着我国社会经济的快速发展, 高层建筑在城市化建筑中的比例也越来越大。随着对高层建筑使用功能要求的日益严格, 高层建筑的高度不断增加, 建筑类型与功能越来越复杂, 高层建筑的数量日渐增多, 高层建筑的结构体系也是越来越多样化, 高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势, 应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。
1 高层建筑结构设计的特点
1.1 水平荷载成为决定因素
一方面, 因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值, 仅与楼房高度的一次方成正比:而水平荷载对结构产生的倾覆力矩, 以及由此在竖构件中引起的轴力。是与楼房高度的两次方成正比;另一方面, 对某一定高度楼房来说, 竖向荷载大体上是定值, 而作为水平荷载的风荷载和地震作用, 其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
1.2 轴向变形不可忽视
当楼层很高时, 由楼房自重产生的轴向压应力可使中柱产生较大的轴向变形, 导致连续梁中间支座处的负弯矩值减小, 而跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
1.3 侧移成为控制指标
与较低楼房不同, 结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加, 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大。因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
1.4 结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言, 高楼结构更柔一些, 在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力。避免倒塌, 特别需要在构造上采取恰当的措施, 来保证结构具有足够的延性。
1.5 水平力是设计的主要因素
研究表明, 楼房自重和楼面载荷在竖向构件中产生的弯矩和轴力的大小仅与楼房高度的一次方成正比, 而水平载荷对建筑产生的倾覆力矩及轴力大小与楼房高度的二次方成正比。因此在高层建筑设计中水平力为设计的主要因素。
1.6 侧移成为控制指标
建筑结构的侧移随高度的增加而迅速增大 (侧移量与楼层高度的四次方成正比) , 因此结构侧移成为高层建筑结构设计中的关键因素。
2 工程概况
(1) 某工程为高层商住楼, 位于某市繁华地段, 2层地下室, 地面1~3层为商场, 4~18层以上为住宅楼, 整个建筑是带2个塔楼的多塔楼结构。
(2) 地质条件:根据资料显示: (见表1) 。
3 结构设计
3.1 结构选型
根据建筑平面, 可供选择的结构方案有两种。一是从基础面开始, 上部用防震缝将两栋住宅楼及对应的商场部分完全分开, 此结构方案的特点是各单体受力明确, 传力简单, 计算模型、内力和位移比分析等都容易控制。二为地下室部分及商场部分不设抗震缝, 住宅楼部分自然分开, 结构为多塔结构。通过两种方案的比选, 权衡利弊最后决定按照第二种方案考虑结构设计。
3.2 结构计算
结构计算的关键问题是结构计算模型应该按照整体建模还是应当分塔楼建模。首先我们分析一下多塔楼的受力情况:带大底盘的高层建筑, 结构在大底盘上一层突然收进, 属竖向不规则结构;大底盘上有两个塔楼时, 地震作用下, 各塔楼的震动既存在着相对独立性又会互相有影响;扭转震动反应很大, 高振型对结构内力的影响非常突出。其次我们分别按照前述的两个方案分别计算发现, 内力, 位移均有较大差别, 尤其是塔楼连接部分的商场部分楼顶梁内力有15%以上的差别。
对于大底盘多塔楼结构, 如果把裙房部分按塔楼的形式切开计算, 则下部裙房及基础的计算误差较大, 且各个塔楼之间的相互影响无法考虑。因此应先进行整体计算, 按高规取足够的振型数, 并考虑塔楼与塔楼之间的相互影响。但是整体计算无法体现出单个塔楼本身的扭转特性, 整体计算中显示的周期位移数据中不能显示出这些信息, 例如单个塔楼的平动转动周期比, 刚度比等等。
通过上面的分析我们可以得出结论, 多塔楼结构的整体模型和分体模型都必须进行计算, 配筋必须参考整体的计算模型, 楼体的规则性等信息必须依靠分体计算模型, 二者缺一不可。结构的分析计算具体考虑如下。
(1) 根据《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB50223—2008) 的规定, 该建筑物抗震设防类别为丙类, 所在场地类别为Ⅱ类场地, 建筑的地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。本建筑抗震设防烈度为Ⅶ度, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3—2002) (以下简称《高规》) 的规定, 框架一剪力墙结构高度<60m时, 框架按照三级、剪力墙均按二级抗震等级设计。整体计算结果表明, 框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩, x方向为10.42%, Y方向为10.92%, 均不大于50%, 说明结构中剪力墙数量满足要求, 框架按三级设计也是合理的。该工程体型和结构布置复杂, 为多塔楼结构, 属于复杂高层建筑, 整体计算按照SATWE程序进行计算, 整体计算结果需满足规范的各项指标要求。
(2) 该工程结构与底盘结构质心的距离与底盘相应边长之比x向为2.33%, Y向为2.6%, 均不大于底盘相应边长的20%, 说明两塔楼层数和刚度较接近, 塔楼和底盘的刚度偏心较小。
(3) 地下室一层的楼层侧向刚度X向为上一层的3.17倍, Y向为2.82倍均满足大于相邻上部结构楼层侧向刚度2倍的要求, 因此上部结构的嵌固部位为地下室顶板, 构造上, 楼板厚度取为200mm, 混凝土强度等级为C30, 双层双向配筋+12@150。
(4) 由于多塔楼结构中各塔楼的振动既有一定的独立性, 又有一定的相关性, 为使各塔楼均受到合理的地震作用, 应取足够的振型数参与计算。选取振型数应满足: (1) 当振型数有较大的增加时, 基底地震剪力增加不多; (2) 所选振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。
(5) 多塔楼结构属于复杂高层建筑, 通过控制单个塔楼位移比不应大于该楼层平均值的1.4倍来限制塔楼平面布置的不规则性, 避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。该分析计算我们通过多塔楼结构的分体计算模型进行, 同时需满足规范的要求。
(6) 单个塔楼周期比控制的目的主要是控制结构在地震作用下的扭转效应。该分析计算我们通过多塔楼结构的分体计算模型进行, 同时需满足规范的要求。
4 变形缝的设置
工程各塔楼高度不同, 体型相差较大, 塔楼间还设空中连廊, 又有裙房相连, 同时具备了多塔楼、连体结构的性质, 属超限的多重复杂高层建筑, 有多处薄弱部位, 对抗震极为不利。根据抗震设计的要求, 可以在适当位置设置防震缝, 形成较规则的结构单元。
当各塔楼的体型、刚度差异较大时, 在地震作用下, 连体结构、多塔结构会产生复杂的相互耦联的振动, 扭转影响严重, 对抗震非常不利, 连接处更是抗震的薄弱部位。考虑到有连接的塔楼之间距离不大, 采用悬挑的连廊形式也可以, 故在连廊的中间设置防震缝, 把连体结构分解为各自独立的塔楼, 使之成为扭转效应较小的规则、对称结构。同样地, 在各塔楼之间设置多道防震缝, 多塔楼分成各个规则的单塔, 有利于减轻薄弱部位的震害, 使上部结构抗震能力更强
5 加强建筑抗震构造设计
多塔楼结构的裙房顶层楼盖起着协同各塔楼共同工作的作用。由于塔楼与塔楼之间的相互作用, 将在裙房屋面层楼板中产生较大的水平拉压力和弯矩, 因此应加强裙房屋面层梁板的刚度和承载力, 并加强其与各塔楼之间的连接构造。在工程设计中, 将裙房屋面层楼板加厚为150mm, 双层双向配筋+12@150;主梁与次梁上下通长钢筋不小于梁上下最大配筋量的50%。裙房屋面上、下层的楼板加厚为120mm, 保证了结构底盘与塔楼的整体作用。
6 结语
近些年来, 我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看, 并不理想。在高层建筑结构设计中, 结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况, 应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析, 运用掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。
摘要：文章结合工程实际, 分析高层多塔复杂体型建筑的特点, 提出设计的重点, 对设计中需要关注的问题和相应的措施进行阐述。
关键词：大底盘,结构计算模型,构造措施