论高层建筑的结构分析与设计
摘要：目前，高层建筑的结构设计已经成为了高层建筑设计的重点内容，文中笔者结合具体工程设计实例，对高层建筑结构设计展开了研究与分析，并通过大量的计算与分析对高层建筑结构设计提出一些建议和意见。
关键词：高层建筑;结构体系;分析计算
1、工程概况
某工程建筑平面尺寸为长94.8m，宽13.2～24m，平面形状为梯形，属板式高层建筑。建筑总面积为22000m2,其中地上建筑面积19140mz，地下建筑面积2860m2。地上18层，地下1层，地上最大建筑高度为89.110m。地上1—2层为商业用房，3层为设备层，4层以上为标准办公公寓。1层高7.17m，2层高4.98m，3层高2.19m，4层以上标准层高4.98m。地下室为立体停车库及设备用房，按核六级兼平战转换人防设计。
2、基础设计
建筑场地地形平坦、稳定，无液化土存在，自然场地下50m左右有承载特性较好的卵石层(层6)。基础形式采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径采用010oo，0900，0800三种类型，有效桩长45m，为提高桩端承载力及减小桩基变形，对桩端进行压力注浆，根据静载试验结果，OlO00单桩竖向承载力特征值为5400kN。外围纯地下室范围内设置钻孔灌注抗拔桩，框架柱下设置独立多桩承台，核心筒下设置群桩筏板式承台，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，抗口等级为P8。根据地勘资料，地下水位常年位于自然地面以下O.5m航浮设防水位较高，为室外地坪标高，地下室抗浮稳定性应满足下式要求。
W ≥1.05F(1)式中：w 为地下室自重及上部结构作用的永久荷载标准值的总和;F为地下水浮力。
由于抗浮设防水位较高，若采用增加结构配重的方式进行抗浮设计无法满足式(1)要求。工程采取设置抗拔桩进行抗浮设计，需抗浮的柱下布置1～2根抗拔桩，口1000单桩抗拔承载力特征值为1800kN。
3、结构设计及计算
3. 1结构主体设计建筑结构设计使用年限为5O年，结构安全等级为二级，建筑抗震设防分类为丙类，场地抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，建筑场地为Ⅲ类。基本风压0.5kN/m (j安100年重现期)，地面粗糙度为B类。
建筑主体结构采用现浇钢筋混凝土框架一剪力墙结构，其中剪力墙和框架的抗震等级均为三级。楼面采用主次梁结构布置。标准层结构布置如图1所示。
结构设计的主要特点在于建筑的平面、竖向体形和复式结构。建筑地上部分平面形状依据场地形状设计，近似梯形，斜边夹角7。，存在斜向抗侧力体系。楼板平面较狭长，而3层以上每层楼板开洞面积为楼面面积的10%，且奇偶层由于空中花园的隔层设置造成楼板开洞面积、位置不同，属于抗震规范中平面不规则形状。由于12层内收尺寸突然变大，造成结构在竖向上侧向刚度不连续。导致在地震力作用下，容易使结构产生扭转变形。1层及以上各标准层均待主体验收后结合装修设置夹层，夹层主次梁采用型钢结构，楼盖采用组合楼板。形成施工阶段结构层数为18层，而使用阶段实际结构层数为27层，由于使用阶段标准层高仅为2.5m，造成框架柱净高与截面高度之比均小于4，减小了柱的延性。
通过整体结构计算显示，在地震力作用下，建筑物位移值较大的点出现在建筑高度的中上部，平面上的边角点。因此设计中在平面南北端部附近，利用电梯问设置剪力墙，并且尽量使剪力墙形成封闭简体，使结构抗侧刚度得到加强，减少建筑端部的扭转变形。l2层部位竖向内收造成结构偏心，在方案调整计算时发现，12层部位由于侧向刚度突变，局部产生扭转变形，引起边角部位竖向构件弯矩和剪力产生较大增量，可能成为薄弱层。采取的措施是在12层外墙局部部位增设剪力墙，以加大楼层的侧向及扭转刚度、减小偏心率及竖向构件内力附加值。经计算，增设外部剪力墙后，该楼层抗侧刚度提高了20%;抗剪承载力提高了18% ;偏心率减少了50%;地震力作用下最大层间位移减少了29%;偶然偏心影响的地震力作用下楼层最大位移与平均位移比值由1.42降至1.29;框架角柱、边柱剪力和弯矩均有不同程度减少，其中局部角柱剪力减少约4% ;竖向构件计算配筋均在合理范围内。通过以上定量分析可得，适当增加楼层局部抗侧力构件可改善竖向内收造成的不利影响，减少结构侧向刚度突变。在施工图设计中，特别加强12层及相邻层角部梁柱的截面和配筋，其抗震等级提高一级，并加强构件抗震构造措施，以提高其延性。
施工图设计中主要竖向构件截面变化如表1所示，框架柱及剪力墙的混凝土强度等级：3层以下为C50，4—8层为C45，9～12层为C40，13层以上为C35。
3.2结构计算主体结构采用多高层建筑结构三维分析与设计软件SATWE (墙元模型)进行分析计算，并用ETABS进行计算校核，计算中考虑地震和风荷载作用最不利方向，考虑偶然偏心和平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数取l5，并且在斜交抗侧力方向附加地震力计算，对有夹层(模型1)和无夹层(模型2)两种情况分别进行整体计算，计算结果见表2～5。以上两种模型经ETABS程序计算复核，其结果与表2～5中计算结果基本吻合。
根据规范要求对有夹层的结构(模型1)进行弹性时程分析补充计算，选取Ⅲ类场地土，特征周期为0.45s的两条实际波和一条人工模拟的加速度时程曲线进行动力时程分析，输入分量地震峰值加速度为18cm/s2，结构阻尼比5%。从计算结果可看出，模型1结果显示结构的主振型以平动为主，扭转振型周期与平动振型周期的比值为0.60。整体计算的各项指标均满足规范的有关要求。弹性时程分析计算所得的单条波结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%。三条波平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。振型分解反应谱法弯矩和剪力曲线均大于弹性时程分析计算的结果。
无夹层的`结构(模型2)结果显示结构的主振型以平动为主，扭转振型周期与平动振型周期的比值为0.54。整体计算的各项指标也均满足规范的有关要求。
通过对比模型1和模型2计算，得到以下结论。
(1)两者结构振动周期发生变化，模型1振动周期小，模型2振动周期大，其中第一平动周期相差幅度约11%，但扭转周期差别不大。说明在结构平面和竖向体形不变的前提下，仅增加结构计算层数和改变层高会导致整体结构平动周期变小。
(2)地震作用下两者基底剪力和倾覆力矩发生变化，模型1基底剪力和倾覆力矩大，模型2基底剪力和倾覆力矩小，其中基底剪力和倾覆力矩相差幅度约12%一14%。说明增加结构计算层数和改变层高会导致整体结构基底剪力和倾覆力矩增大。
(3)地震和风载作用下两者楼层最大层间位移比相差不大，但楼层最大位移值有区别，模型1楼层最大位移相比模型2小。说明增加结构计算层数和改变层高会导致整体结构楼层最大位移变小。
(4)两者框架柱及剪力墙内力发生变化，以底层为例，地震力作用下模型1框架柱承担的剪力和弯矩明显大于模型2。框架柱剪力占总剪力的百分比由3 7%增加至6.5%(x向地震).3.9%增加至6.4%(Y向地震)。框架柱弯矩占总弯矩的百分比由33%增加至37%(X向地震)，26%增加至29%(Y向地震)。尽管剪力墙承担大部分整体弯矩和剪力，但两者框架柱和剪力墙端柱承担的弯矩和剪力是有差别的，按最不利取值，设计应以模型1计算结果为依据。
综上所述，对此类复式结构，设计应将各夹层部位输入计算模型中，使其共同参与整体工作，相应的计算结果和截面设计更符合实际受力情况。不应为了简便，人为将夹层结构通过人工输入荷载的形式直接加载至楼层梁柱上，这样会导致构件内力计算值偏小，从而使截面配筋不足和局部节点构造措施不合理。
4、结语
随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑类型与功能愈来愈复杂，建筑专业和业主给结构设计提出的要求也更加复杂，成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。文中笔者重点分析了高层建筑结构设计问题及对策，为相关专业人员提供借鉴。
参考文献：
[1]周永明，翁雁麟。益德清.卵石层后压浆灌注桩承载力设计及试验分析[Ⅱ]结构工程师，2008，24(4)：85—88.
[2]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[s].
[3]GJ3—2002，高层建筑混凝土结构技术规程[s].
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