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高層建筑結構體系及結構布置的合理選用   寧波科協網   2002-10-08 16:23:13    孫 昶   (寧波市規劃設計研究院)   摘 要:以惠州商住城C區塔樓為例,說明了抗側力結構體系的確定和設計在高層建筑結構設計中的重要性。從三個方面詳細論述了如何進行結構體系選擇和結構布置,以及一些處理方法及構造措施。   關鍵詞:高層建筑;體系;布置;選用      高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構設計相比較,結構專業在各專業中占有更重要的地位,而結構體系的選用尤為重要,它直接關系到建筑平面布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期的長短和投資造價的高低等問題。所謂結構體系,即指結構抵抗外部作用的構件組成方式。在高層建筑中,水平力是設計的主要因素。因為低層和多層房屋結構體系以抵抗豎向荷載為主,水平力產生的影響較小,側向位移小,通常忽略不計。而在高層建筑結構體系中,隨著高度的增加,水平力(風荷載和水平地震荷載)產生的內力和位移迅速增大,因而抵抗水平力成為結構的主要矛盾。而抗側力結構體系的確定和設計也就成為結構設計的關鍵問題。   本文以惠州商住城(C區)工程為例,說明高層建筑結構體系的選擇和結構布置。由于該工程結構方案選用合理,因而取得了明顯的經濟效益。   1 工程簡介   惠州商住城是一座集商業、住宅、辦公、旅游等多種功能于一體的高層建筑。建筑總面積為8.4萬m,地下三層,地上一~五層為裙房,裙房上有B、C兩座塔樓,共分A、B、C三個區。A區為五層商場,B區為高層住宅塔樓,C區為辦公及賓館塔樓。C區建筑面積為2.76萬m,一~三層為商場,內設營業大廳,四~六層為餐廳,七~十七層為賓館客房部,十八~二十九層為辦公用房,標準層共二十三層,地面以上建筑總高度為98.5m(不包括屋頂水箱及電梯機房高度)。C區塔樓采用框架-剪力墻結構,其高寬比H/B<6,基礎采用人工挖孔灌注樁,樓蓋采用現澆梁板結構。所有結構構件均采用現澆法施工,基本風壓值為0.5kPa,抗震設防烈度為七度。   2 結構體系的選擇   2.1 豎向結構體系的選擇   選擇高層建筑結構抗側力體系通常考慮兩個因素:建筑物的高度和建筑物的用途:不同結構體系的承載力和剛度是不同的,因此它們適用的高度范圍也不一樣。一般來說框架結構適用于抗震設防烈度低或不考慮地震作用、層數較少、高度較低的建筑;框架-剪力墻結構能適應各種不同高度(達100m以上)建筑物的要求。   就本工程的C區塔樓來說,高度98.5m,七度設防,從《高規》表2.1.2中可看出適宜采用的結構體系有框架-剪力墻結構體系、剪力墻結構體系及筒體結構。   再考慮影響高層建筑抗側力結構體系的另一個因素:即建筑物的用途。目前,國內高層建筑大體上可分為住宅、旅館和公共性建筑。C區塔樓一~三層為商場,四~六層為餐廳,十八~二十九層為辦公用房,因此屬于公共性高層建筑。按照建筑功能的要求,需要較大空間而且能靈活劃分。剪力墻結構雖然剛度大,空間整體性好,而且不外露梁柱,適應客房層的要求,但不容易形成大空間來布置公共房間,它較適合于住宅建筑。而根據C區的平面形狀要求,也不能形成筒體結構。經綜合考慮,選擇在框架結構中布置一定數量的剪力墻而組成框架-剪力墻結構,既有框架結構布置靈活、使用方便的特點,又有較大的剛度和較強的抗震能力,適用于C區塔樓這種集商業、辦公和旅館于一身的高層建筑。   2.2 樓面結構體系的選擇   高層建筑結構中各豎向抗側力結構(剪力墻、框架等)通過水平的樓面結構連結成空間整體,水平力將通過樓板平面進行傳遞和分配,因此要求樓板在自身平面內有足夠大的剛度。C區塔樓高度98.5m,采用的是框架剪力墻結構,框架部分的水平力要通過樓面傳到剛度很大的剪力墻上去,對樓板的平面內剛度和整體性要求更高。樓板就象水平放置的一根深梁,視其在平面內只有剛性位移,不改變形狀,柱墻頂相對位移一致。因此本工程采用了較為合理的現澆樓面結構,并采取了相應的構造措施:①當樓面有較大洞口時,在洞口邊設封閉式梁;②樓板最小厚度取120mm,易于埋設電力、電訊管道;③在剪力墻變厚處將板厚加大為150mm,并且在配筋上將上下層鋼筋均拉通;④在折線形轉折凹角處,由于樓板容易產生應力集中,亦加大了樓板配筋;⑤頂層板加厚,配雙向雙層筋,使整個建筑在豎向形成封閉式,減少頂部位移。   3 結構平面布置   3.1 平面形狀   有抗震設防的高層建筑房屋,如果平面簡單對稱,體型規則,建筑平面布置合理,結構布置符合抗震原則,就能保證房屋具有良好的抗震性能。   C區塔樓由于受地形限制,且為了滿足盡可能大的使用面積,平面形狀為折線形。如圖1所示,l/b=1.6<2、L/B=3.4<6平面各部分尺寸基本上滿足“高層建筑平面形狀的尺寸限值”,符合《高規》的規定。由于平面形狀不對稱,因此屬于比較不規則的形狀。為避免建筑物因扭轉而破壞,在設計當中要采取措施予以加強,使荷載合力作用線與結構剛度中心相接近,以減少扭轉的影響。   3.2 框架柱網的布置   經綜合考慮,C區塔樓辦公用房以及客房的開間選為4.0m,這樣便于客房及小間辦公的分隔。為了滿足底部大空間的要求,柱網開間定為8m(正好為兩間客房開間)。進深方向主要根據客房要求來決定,將柱設在衛生間與客房之間,既不影響客房外觀,又不影響公共走道,跨度為5.5+6.4+5.5m。這樣的柱網布置既滿足了建筑使用要求,又使結構受力合理,且施工方便,較為經濟。   3.3 剪力墻的數量及其布置   框架-剪力墻結構是由剪力墻和框架共同承擔水平力,而剪力墻承擔大部分水平力,框架承載少量水平力,一般認為框架承擔整個結構基底總剪力的25%~40%是較為經濟的。因為剪力墻太少,框架承擔的剪力太大,柱斷面增大,有可能出現短柱,而且在地震力作用下將產生過大的位移。但如果剪力墻設置過多,使結構剛度太大,加大了地震效應,墻會很厚而造成浪費。   按照剪力墻布置“均勻、分散、對稱、周邊”的原則,C區主樓的剪力墻采用的布置形式,首先剪力墻沿建筑平面的周邊布置,與外框梁柱相連,這樣可以最大限度地加大抗扭轉的內力臂,提高整個結構的抗扭能力。同時,將建筑平面兩端部布置縱橫向口字形剪力墻,即將設備用房、輔助用房、衛廁、樓梯間分別設置于兩端,使縱墻和橫墻互為翼緣,提高其強度和剛度。這樣能最大限度地均勻分散剪力墻的布置。將樓梯間、電梯間、管道井等豎井剪力墻布置在折線轉角處,此處既是豎向荷載最大處(頂上有突出屋面的屋頂水箱),又是平面形狀變化處(轉折角外端)。如果剪力墻承受大的豎向荷載,可以避免設置截面尺寸過大的柱子;再者剪力墻是主要抗側力結構,承受很大的彎矩和剪力,需要較大的豎向荷載來避免出現軸向拉力,提高截面承載力,也便于基礎設計。在平面變化的轉折部位,容易在樓面上產生大的應用集中,因此在轉折外角設置剪力墻豎井,而在轉折凹角處,也采取了加大剪力墻厚度的措施,并增配鋼筋,此處的邊梁亦與剪力墻同厚,以增強剪力墻的剛度。如此的剪力墻布置,既滿足了建筑功能的要求,又使得樓層平面剛度分布均勻,最大限度地使剛度中心與質量中心相接近,減少了建筑物受到的扭矩,使結構布置更為合理。   4 結構豎向布置   本工程采取了沿豎向分段改變構件截面尺寸和混凝土強度等級的方法,使結構的承載力和剛度自下而上遞減,變化均勻、連續、沒有突變。從施工方便來說,改變次數不宜太多;但從結構受力角度來看,改變次數太少,每次變化則容易產生剛度突變。本工程每次改變,梁柱尺寸減少100;墻厚減少50;混凝土強度降低一個等級,而且尺寸減少與強度降低都錯開了樓層,避免了同層同時改變,剪力墻厚及強度變化四次。這樣的布置方式不會形成剛度突變,較為經濟合理。   5 結束語   對同一個高層建筑來講,與建筑相適應的結構體系、結構布置不是絕對的,在設計中會遇到一些復雜的因素,但合理的結構體系即最優的設計應該是唯一的。我們所要做的就是把一些互相制約的因素統一協調,取得比較完滿的結果,它關系到建筑物的安全性能、使用功能及經濟造價。      作者簡介:孫昶,女,1965年4月出身,1986年7月畢業于長沙鐵道學院土木工程系工民建專業,獲學士學位,現在寧波市規劃設計研究院工作,任工程師。通信地址:寧波市大步街9號會展中心B樓17層,郵編:315040。 。