某高層辦公樓建筑工程結(jié)構(gòu)分析

關(guān)鍵詞：高層建筑；框架-核心筒結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)

　　某高層為30層的辦公寫字樓，總建筑面積約26800㎡，利用地形高差，下部2 層，以上28層。層高3.3m，建筑高度100.4m，結(jié)構(gòu)高度99m。

　　1 結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)分析

　　本工程結(jié)構(gòu)采用了一個(gè)較為典型的框-筒結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是在一定程度上克服了純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，發(fā)揮了各自的長(zhǎng)處。剛度較大，自重較輕，平面布置較為靈活。由于核心筒的存在，大大的提高了結(jié)構(gòu)的剛度，承擔(dān)了主要的水平力，因此具有較好的變形能力和抗震性能。該結(jié)構(gòu)體系保證了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力、剛度和延性，做到了抗震和抗風(fēng)性能好。

　　同時(shí)在滿足建筑功能的前提下，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，以比較兩種不同結(jié)構(gòu)體系在具有相近的結(jié)構(gòu)性能時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是側(cè)向剛度大，強(qiáng)度高，空間整體性能好。然而，由于墻體多，重量大，地震作用也大，并且內(nèi)部空間的布置和使用不夠靈活。采用這種結(jié)構(gòu)體系的建筑墻體較多，分布較均勻，使承重結(jié)構(gòu)和維護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到較高程度的統(tǒng)一。

　　計(jì)算軟件采用SATWE，它是專門為多、高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。SATWE 可以精確的分析多、高層框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式。SATWE 是采用空間有限元模型計(jì)算分析剪力墻的軟件。

　　振型組合數(shù)是軟件在做抗震計(jì)算時(shí)考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計(jì)算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還可能使計(jì)算結(jié)果發(fā)生畸變�！陡邔咏ㄖ�混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.13-2條規(guī)定，抗震計(jì)算時(shí)，宜考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不宜小于15，對(duì)多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。

　　一般而言，振型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)自由度有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)層剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)應(yīng)當(dāng)取得多些，如有彈性節(jié)點(diǎn)、多塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式。振型組合數(shù)是否取值合理，可以看軟件計(jì)算書中的x、y向的有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9。首先根據(jù)工程實(shí)際情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個(gè)振型數(shù)計(jì)算后考察有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型個(gè)數(shù)，直到x、y兩個(gè)方向的有效質(zhì)量系數(shù)都大于0.9為止。必須指出的是，結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并不是越大越好，其最大值不能超過(guò)結(jié)構(gòu)的總自由度數(shù)。例如對(duì)采用剛性板假定的單塔結(jié)構(gòu)，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)作用時(shí)，其振型不得超過(guò)結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍。如果選取的振型組合數(shù)已經(jīng)增加到結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍，其有效質(zhì)量系數(shù)仍不能滿足要求，也不能再增加振型數(shù)，而應(yīng)認(rèn)真分析原因，考慮結(jié)構(gòu)方案是否合理。

　　3 結(jié)果分析

　　1）結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑使用功能的影響

　　因?yàn)榻ㄖ�物的功能要求是建筑物設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮的因素，所以，結(jié)構(gòu)選型時(shí)也應(yīng)首先考慮結(jié)構(gòu)型式對(duì)功能的適應(yīng)性。建筑物的功能要求包括使用空間要求。功能要求對(duì)結(jié)構(gòu)選型的影響可以分述如下。

　　方案一：框一筒結(jié)構(gòu)體系的核心筒由布置在電梯、樓梯間及設(shè)備管線井道四周的鋼筋混凝土墻組成。從結(jié)構(gòu)受力的角度看，核心筒平面尺寸越大，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度越大。但就建筑使用角度看，核心筒越大，則服務(wù)性用房面積就加大，建筑使用面積就減小。對(duì)于框架部分，高層結(jié)構(gòu)的框架柱截面較大，對(duì)建筑的使用存在一定的影響。但可以形成較大的使用空間，建筑平面布置靈活、造型活潑，易于滿足多功能的使用要求。

　　方案二：剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，若隔墻位置較為固定，布置剪力墻不會(huì)影響各個(gè)房間的使用功能，而且在房間內(nèi)沒(méi)有柱、梁等外凸構(gòu)件，既整齊美觀，又便于室內(nèi)家具布置。

　　單從更好的適應(yīng)建筑功能方面來(lái)講，框- 筒結(jié)構(gòu)體系比剪力墻結(jié)構(gòu)體系更加適合于現(xiàn)代辦公建筑的需求。

　　2）結(jié)構(gòu)體系對(duì)結(jié)構(gòu)受力合理性的影響整體剛度等各方面各不相同，而選型必須保證結(jié)構(gòu)體系的受力合理，所以要根據(jù)力學(xué)上的要求認(rèn)真比較各種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)，挑選出能“入圍”的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體系，然后再結(jié)合其它影響因素作分析，做篩選。結(jié)構(gòu)受力合理性包括結(jié)構(gòu)能有效抗風(fēng)、可靠抗震、傳力途徑明確、應(yīng)力分布合理、破壞機(jī)制合理等。它受環(huán)境條件，諸如基本風(fēng)壓、設(shè)防烈度等影響，而基本風(fēng)壓、設(shè)防烈度又因場(chǎng)地條件不同而不同。具體分析如下。

　　高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與多層的主要區(qū)別就在于側(cè)向力成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及建筑物土建造價(jià)的主要因素。在正常使用狀態(tài)下，若側(cè)移過(guò)大會(huì)造成附加彎矩增大，影響建筑物的舒適性和正常使用，甚至與引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。因此，結(jié)構(gòu)必須滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。在正常使用條件下，應(yīng)使高層建筑處于彈性狀態(tài)，并且有足夠的剛度，為此，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)樓層層間最大位移與層高之比作了如下規(guī)定:

　�。�1）高度不大于150m 的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比△u/h不宜大于表4.6.3的限值;

　�。�2）高度等于或大于250m 的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比△u/h 不宜大于1/500;

　�。�3）高度在150m～250m 之間的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比△u/h 的限值按本條第1款和第2款的限值線性插入取用。

　　由計(jì)算結(jié)果表1 可知，方案一框一筒結(jié)構(gòu)體系與方案二剪力墻結(jié)構(gòu)體系均滿足上述規(guī)范要求。從周期來(lái)看，方案一框一筒結(jié)構(gòu)體系周期明顯高于方案二剪力墻結(jié)構(gòu)體系的周期，并且不論是最大層間位移還是位移角都是前者明顯高于后者。說(shuō)明就剛度而言，剪力墻結(jié)構(gòu)體系的剛度高于框一筒結(jié)構(gòu)體系。但并不是說(shuō)剛度越大，受力越好，抗震越好。

　　方案一：框- 筒結(jié)構(gòu)體系的地震和風(fēng)荷載作用下的最大層間位移均出現(xiàn)在第16 層，層間位移較為均勻�？蚣�- 核心筒結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下，側(cè)向變形以彎曲變形為主，剪力變形為輔。其側(cè)移曲線接近于彎曲型桿件的側(cè)移曲線。框架一核心筒體系中的框架和核心筒，因受到各層樓蓋水平剛度的約束，兩者的側(cè)移趨于一致，原來(lái)構(gòu)件上下層間側(cè)移角嚴(yán)重不均勻的情況得到了改善，整個(gè)結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)設(shè)計(jì)和滿足變形要求成為比單一結(jié)構(gòu)體系的純框架、純剪力墻結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)越性。

　　方案二：剪力墻結(jié)構(gòu)體系由于剛度較大的原因，側(cè)移非常小。純剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)房屋層數(shù)較少，墻體的高寬比值小于1時(shí)，水平荷載下，墻體以剪切變形為主，彎曲變形所占比重較小，墻體的側(cè)移曲線呈剪切型。當(dāng)房屋層數(shù)很多，墻體的高寬比值大于4時(shí)，墻體在水平荷載下的側(cè)移，則是以彎曲變形為主，剪力變形退居次要地位，墻體的側(cè)移曲線接近彎曲型。墻體的高寬比值位于上述兩個(gè)數(shù)字之間，墻體的剪切變行和彎曲變形各占一定比例，側(cè)移曲線呈剪彎型。

　　因此，只要進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，兩種結(jié)構(gòu)型式均可以具有很好的剛度，不至于在地震和風(fēng)荷載下產(chǎn)生過(guò)大的位移。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　從以上的比較可以看出對(duì)于20層～30層，這種不算太高的高層建筑辦公樓來(lái)說(shuō)，框架-剪力墻或者框架-筒體結(jié)構(gòu)體系更具優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)的角度來(lái)找原因，主要是因?yàn)閷?duì)于20層～30層，這種不算太高的高層建筑來(lái)說(shuō)，剪力墻體系的中的剪力墻的軸壓比控制得比框架一剪力墻或者框架一筒體結(jié)構(gòu)體系中的柱的軸壓比低得多�；炷�土和鋼筋的利用率就相應(yīng)降低了。一方面增加了自重，另一方面增加了造價(jià)。也就是說(shuō)，20層～30層的高層建筑并不是剪力墻結(jié)構(gòu)體系的最優(yōu)化高度，但是隨著高度的增加，剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。