高层建筑结构设计实例分析

张帆

摘要：本文结合工程实例，对其上部结构设计，主体结构计算及结果进行了分析，以满足规范的各项要求。

关键词：高位连体，结构设计

Abstract: combining with the project examples, the upper structure design, main body structure calculation and the results are analyzed, in order to meet the requirements of the standard.

Keywords: high conjoined twins, structure design

中图分类号： TU318文献标识码：A文章编号：

1 工程概况

该建筑主楼地上为23层，地下2层，裙房3层，分塔楼A、塔楼B和裙房等主要结构单元。塔楼A，B大屋面高度为95m，裙房总高度为15m左右，裙房中部通过设置2道防震缝与左右两侧分离，两栋塔楼层高是一致的，双塔顶部在63.50m的高空相连，连体部分共有8层，总高度为31.5m，跨度33.6m。主楼造型形成高位连体，为竖向不规则，在结构设计中采用了SATWE和ETABS两种计算软件进行整体的内力位移计算，同时采用弹性时程分析法进行补充计算。

工程的抗震设防烈度为7度，建筑结构的安全等级二级，重要性系数1.0，设计使用年限50年，建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类建筑)。

2 基础设计

根据地质报告显示，地基土以饱和软弱黏性土和饱和砂性土为主，地表下在20m深度范围内饱和砂土和粉细砂无液化问题，建筑场地类别属Ⅲ类，特征周期取0.45s。考虑到整个建筑场地平面较大、主楼和裙房在地下完全连成一体等特点，采用了桩筏基础，进行桩基变刚度设计，强化高层主体区域桩基刚度，相对弱化裙房(含纯地下室) 的桩基刚度，以满足承载力要求和沉降差异控制要求。初步设计阶段两塔楼核心筒区域筏板厚度2m，主楼桩型选择直径800mm 的钢筋混凝土冲孔灌注桩，以中风化泥岩作为持力层，桩长45m左右，桩身混凝土强度等级为C45;裙房和地下车库部分采用直径500mm的PHC高强预应力混凝土管桩，以粉砂层作为持力层，桩长35m左右，桩身混凝土强度等级为C80。根据试桩结果，主楼单桩承载力标准值可达到5000kN。

3 上部结构设计

3. 1 楼盖体系

塔楼和裙房采用现浇钢筋混凝土主次梁楼盖，标准层楼板厚度取120mm;双塔间连体部分采用钢-现浇混凝土组合楼盖，楼板厚度取120mm。

3. 2 抗侧力体系

(1) 两个塔楼的柱网和核心筒基本对称布置，双塔采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，与连接体相连的框架柱采用型钢混凝土(SRC)柱，钢骨含钢率为5%～7% ，为使结构体系更好地发挥作用，在钢筋混凝土核心筒的四个角部和与连接体相连的关键部位的墙体中设置型钢。

(2) 由于结构平面为长方形，长宽比L/B = 4.2，为增强结构整体抗扭刚度，在建筑物两侧柱网间设置钢斜撑。

(3) 标高87.11m处由于建筑立面要求，在轴○A○D上的所有柱子各内收2m，鉴于内收距离不大，因此结构竖向设2 层斜柱处理，避免梁托柱造成竖向构件

不连续，该设计使竖向荷载能够更直接有效地向下传递( 图1)。

图1 立面示意图

3. 3 连接体

(1) 两塔楼在63.50m标高处连成一体(图2) ，连体以上共有8层，总高31.5m，跨度33.6m。连接体部分柱网布置上下一致，因此在层16一个层高范围内沿纵向设置了4榀转换钢桁架(Q345)用于承托连体以上结构重量，为了保证连体结构的钢桁架与塔楼可靠连接，钢桁架上下弦杆向塔楼内延伸一跨，与主楼的核心筒或框架柱内的型钢刚接(图3)。

图2 连体层平面示意图

图3 钢桁架示意图

(2)4 榀桁架与上下楼层标高处横向的钢梁刚接，形成一组空间桁架，有效地提高了连接体结构的抗扭能力，增强桁架抗侧刚度。

(3) 为减轻结构自重，钢桁架以上各层的框架采用钢结构，并与钢桁架和两侧塔楼刚性连接，形成第二道防线，增强连体结构整体的刚度。

(4) 钢桁架相邻两层和顶层楼板加厚30%，双层双向配筋，适当加强，且在其平面内设置水平支撑以增强楼板水平刚度，提高连体结构抗扭能力，协调双塔的变形，有效传递水平力。

4 结构超限情况

(1) 连体建筑:双塔在63.50m 处连成一体，连体部分共8层，占总高度的33. 2%，连体跨度达到33.60m，形成竖向不规则结构。

(2) 不规则扭转:在裙房和主楼相连的低层，楼层的最大与平均位移之比超过1.20，所以该部位出现了扭转不规则。

(3) 侧向刚度不规则:在连接体以下的三层的电算结果显示侧向刚度有突变，构成《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3—2002) (以下简称高规)所指的侧向刚度不规则。

5 主体结构计算及分析结果

扩初设计阶段采用两个不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和ETABS 进行连体结构的整体内力位移分析计算。连体结构的计算分两阶段进行，首先对塔楼A，B分别建模，调整两单栋塔楼的技术指标，使两栋塔楼的质量和刚度尽量接近，减少对连体部分产生的不利影响。然后再将两栋塔楼的模型合并，形成连体结构后进行整体计算。

5. 1 两塔楼的主要结构指标对比

表1 为SATWE 计算结果，由表可得，塔楼A 与塔楼B 因层高相同，层数相等，结构布置相似，因此两个单塔的动

5. 2 双塔连体结构的反应谱分析

(1) 总荷载对比见表2，由表可见ETABS 和SATWE 两个模型产生的总荷载差距比例为0.11%，两个模型的总荷载非常接近。

整体结构总荷载比较表2

(2) 振型分析结果

SATWE 和ETABS的前3阶振型和周期基本一致。第1阶振型均以Y向平动为主;第2阶振型和第3阶振型都是平扭耦联振型。SATWE 第2，3 阶振型是以X 向平动为主，附加较大的扭转分量;ETABS 第2 阶振型相应扭转比例稍高，以扭转为主，第3 阶振型是X 向平动为主。前6 阶振型见图6。在3阶以后的振型中，SATWE 和ETABS 的周期计算结果均相差不大，但平动和扭转的参与分量有较大差别，这主要是由于SATWE 程序中计算不出竖向振型，而ETABS 能计算出竖向振型，因而在连体的竖向地震作用分析中，应采用ETABS 的计算结果。

两个程序的第1 扭转周期与第1 平动周期的比值均小于0. 85，满足高规对平扭周期比的要求，说明本连体结构具有较强的抗扭能力。X，Y向的有效质量参数均为99.5% (SATWE)，100%(ETABS)。前30阶总的振型有效质量参数皆大于95% ，振型阶数取值满足结构分析精度要求。

(3) 层间剪力分析结果。在X 向、Y 向水平地震作用下，塔楼A 和塔楼B的底部剪力非常接近，这充分表示了连体部分能有效地传递两个塔楼的水平剪力，使得双塔的层间剪力趋近一致。从以上分析得出:SATWE 和ETABS 的计算结构基本吻合，SATWE 的层间剪力稍偏大。

(4) 结构位移分析结果，结构的变形和受力在X向和Y向均受地震作用控制，该结构的主要荷载控制工况是地震作用。

图4给出两塔楼的层间位移角。出裙房屋面后各楼层的平均位移与楼层最大位移比值均小于1. 2，仅在裙房所在层大于1.2，但小于高规规定的1.4的限值，可见均满足规范要求。

(a) X 向地震 (b) Y 向地震

图4 地震作用下层间位移角

从图4可以看出，在X向地震作用下，两塔在上部楼层有反向弯曲的趋势;连体的设置使得X向的最大层间位移角在中部楼层最大，上部楼层位移角明显减小，说明连体部分在X 向相当于巨大的框架梁，对双塔起着抗弯约束的作用。

5. 3 弹性动力时程分析结果

双向地震作用下，弹性时程动力分析计算结果显示，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足高规要求。结构地震作用效应取三条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

5. 4 斜柱区域受力分析

在标高87.110m处结构竖向设2层斜柱，柱子斜率为2/7.8= 1/3.9。这种结构布置使斜柱处的上下梁板受到影响，承受拉力或压力，易成为薄弱环节，因此层20～22按弹性板参与计算，相应梁配筋明显比上下层加大，但未超过梁的最大配筋率。

在施工图设计时，需采取相应的构造措施予以加强:与斜柱相交的梁均适当提高配筋率，且应满足小偏心受拉构件的构造要求( 通长不得采用绑扎搭接接头);楼板板厚设为150mm，双层双向拉通配筋;斜柱本身受力复杂，所受压力、剪力、弯矩都较大，因此斜柱内设型钢，上下各伸一层，配筋加强处理。

5. 5 连接体部分的整体计算

通过整体计算分析，求得各工况作用下(恒载、活载、X向风荷载、Y向风荷载、X向常遇地震、Y向常遇地震、X向中震、Y向中震、±25℃温度荷载)桁架的轴力、剪力、弯矩，根据相关规范的要求进行内力组合，构件的强度、刚度和稳定性都满足高规要求。

5. 6 结构性能设计

基于结构性能的抗震设计，是结构抗震设计的一个新的重要发展，在国外已普遍采用。抗震性能设计的目标，就是要对结构的设计给出量化的具体指标，并作为结构评估的基础。关键构件的抗震性能直接影响到整体结构的抗震性能，所以对关键构件性能的把握和控制有重要的意义。中震弹性设计:地震作用下的内力按中震进行计算，地震作用效应的组合及各分项系数均按高规进行，设计内力不调整放大，构件承载力计算时的材料强度取设计值。中震不屈服设计:地震作用下的内力按中震进行计算，地震作用效应的组合均按高规进行，但分项系数均取不大于1.0，不进行设计内力调整放大，构件的承载力计算时材料的强度取标准值。为此，取地震影响系数为0.225 进行整体结构反应谱分析，设计验算结果表明结构的关键构件都能满足相应的结构性能设计目标。

6 结论

(1) 高位连体建筑宜首先单塔独立建模分析，使单塔的技术指标尽量接近，再进行整体计算。

(2) 由于连体部分的存在，按目前SATWE 程序的计算方法会在连接部位以下楼层出现薄弱层，软件的计算结果与实际不符，应根据SATWE 的上下层刚度比进行人工补充计算分析。

(3) 高位连体建筑的两单塔的核心筒宜往两侧适当偏置，以减少连体结构的扭转，必要时可在两端设置斜撑。

参考文献

(1) JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程。北京：中国建筑工业出版社，2010.

(2) GB50011-2010 建筑抗震设计规范。北京：中国建筑工业出版社，2010.

(3) 徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计.北京：中国建筑工业出版社，2005.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。