某高层办公楼建筑工程结构分析

关键词：高层建筑；框架-核心筒结构；剪力墙结构

　　某高层为30层的办公写字楼，总建筑面积约26800㎡，利用地形高差，下部2 层，以上28层。层高3.3m，建筑高度100.4m，结构高度99m。

　　1 结构体系特点分析

　　本工程结构采用了一个较为典型的框-筒结构。其特点是在一定程度上克服了纯框架和纯剪力墙结构的缺点，发挥了各自的长处。刚度较大，自重较轻，平面布置较为灵活。由于核心筒的存在，大大的提高了结构的刚度，承担了主要的水平力，因此具有较好的变形能力和抗震性能。该结构体系保证了结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性，做到了抗震和抗风性能好。

　　同时在满足建筑功能的前提下，采用剪力墙结构体系进行设计，以比较两种不同结构体系在具有相近的结构性能时的经济性。剪力墙结构体系的特点是侧向刚度大，强度高，空间整体性能好。然而，由于墙体多，重量大，地震作用也大，并且内部空间的布置和使用不够灵活。采用这种结构体系的建筑墙体较多，分布较均匀，使承重结构和维护结构达到较高程度的统一。

　　计算软件采用SATWE，它是专门为多、高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。SATWE 可以精确的分析多、高层框架结构、剪力墙结构、筒体结构等多种结构形式。SATWE 是采用空间有限元模型计算分析剪力墙的软件。

　　振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量。该值取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量，使计算结果失真；取值太大，不仅浪费时间，还可能使计算结果发生畸变。《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13-2条规定，抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不宜小于15，对多塔结构的振型数不应小于塔楼的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。

　　一般而言，振型数的多少与结构层数及结构自由度有关，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应当取得多些，如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。振型组合数是否取值合理，可以看软件计算书中的x、y向的有效质量系数是否大于0.9。首先根据工程实际情况及设计经验预设一个振型数计算后考察有效质量系数是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型个数，直到x、y两个方向的有效质量系数都大于0.9为止。必须指出的是，结构的振型组合数并不是越大越好，其最大值不能超过结构的总自由度数。例如对采用刚性板假定的单塔结构，考虑扭转耦联作用时，其振型不得超过结构层数的3倍。如果选取的振型组合数已经增加到结构层数的3倍，其有效质量系数仍不能满足要求，也不能再增加振型数，而应认真分析原因，考虑结构方案是否合理。

　　3 结果分析

　　1）结构体系对建筑使用功能的影响

　　因为建筑物的功能要求是建筑物设计中首先应考虑的因素，所以，结构选型时也应首先考虑结构型式对功能的适应性。建筑物的功能要求包括使用空间要求。功能要求对结构选型的影响可以分述如下。

　　方案一：框一筒结构体系的核心筒由布置在电梯、楼梯间及设备管线井道四周的钢筋混凝土墙组成。从结构受力的角度看，核心筒平面尺寸越大，结构抗侧刚度越大。但就建筑使用角度看，核心筒越大，则服务性用房面积就加大，建筑使用面积就减小。对于框架部分，高层结构的框架柱截面较大，对建筑的使用存在一定的影响。但可以形成较大的使用空间，建筑平面布置灵活、造型活泼，易于满足多功能的使用要求。

　　方案二：剪力墙结构体系中，若隔墙位置较为固定，布置剪力墙不会影响各个房间的使用功能，而且在房间内没有柱、梁等外凸构件，既整齐美观，又便于室内家具布置。

　　单从更好的适应建筑功能方面来讲，框- 筒结构体系比剪力墙结构体系更加适合于现代办公建筑的需求。

　　2）结构体系对结构受力合理性的影响整体刚度等各方面各不相同，而选型必须保证结构体系的受力合理，所以要根据力学上的要求认真比较各种结构体系优缺点，挑选出能“入围”的几个结构体系，然后再结合其它影响因素作分析，做筛选。结构受力合理性包括结构能有效抗风、可靠抗震、传力途径明确、应力分布合理、破坏机制合理等。它受环境条件，诸如基本风压、设防烈度等影响，而基本风压、设防烈度又因场地条件不同而不同。具体分析如下。

　　高层建筑结构的受力特点与多层的主要区别就在于侧向力成为影响结构内力、变形及建筑物土建造价的主要因素。在正常使用状态下，若侧移过大会造成附加弯矩增大，影响建筑物的舒适性和正常使用，甚至与引起结构构件的破坏。因此，结构必须满足强度、刚度、稳定性要求。在正常使用条件下，应使高层建筑处于弹性状态，并且有足够的刚度，为此，《高层建筑混凝土结构技术规程》对楼层层间最大位移与层高之比作了如下规定:

　　（1）高度不大于150m 的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于表4.6.3的限值;

　　（2）高度等于或大于250m 的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h 不宜大于1/500;

　　（3）高度在150m～250m 之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h 的限值按本条第1款和第2款的限值线性插入取用。

　　由计算结果表1 可知，方案一框一筒结构体系与方案二剪力墙结构体系均满足上述规范要求。从周期来看，方案一框一筒结构体系周期明显高于方案二剪力墙结构体系的周期，并且不论是最大层间位移还是位移角都是前者明显高于后者。说明就刚度而言，剪力墙结构体系的刚度高于框一筒结构体系。但并不是说刚度越大，受力越好，抗震越好。

　　方案一：框- 筒结构体系的地震和风荷载作用下的最大层间位移均出现在第16 层，层间位移较为均匀。框架- 核心筒结构，在水平荷载作用下，侧向变形以弯曲变形为主，剪力变形为辅。其侧移曲线接近于弯曲型杆件的侧移曲线。框架一核心筒体系中的框架和核心筒，因受到各层楼盖水平刚度的约束，两者的侧移趋于一致，原来构件上下层间侧移角严重不均匀的情况得到了改善，整个结构的等强设计和满足变形要求成为比单一结构体系的纯框架、纯剪力墙结构更具有优越性。

　　方案二：剪力墙结构体系由于刚度较大的原因，侧移非常小。纯剪力墙结构，当房屋层数较少，墙体的高宽比值小于1时，水平荷载下，墙体以剪切变形为主，弯曲变形所占比重较小，墙体的侧移曲线呈剪切型。当房屋层数很多，墙体的高宽比值大于4时，墙体在水平荷载下的侧移，则是以弯曲变形为主，剪力变形退居次要地位，墙体的侧移曲线接近弯曲型。墙体的高宽比值位于上述两个数字之间，墙体的剪切变行和弯曲变形各占一定比例，侧移曲线呈剪弯型。

　　因此，只要进行了合理的设计，两种结构型式均可以具有很好的刚度，不至于在地震和风荷载下产生过大的位移。

　　4 结语

　　从以上的比较可以看出对于20层～30层，这种不算太高的高层建筑办公楼来说，框架-剪力墙或者框架-筒体结构体系更具优势。从结构的角度来找原因，主要是因为对于20层～30层，这种不算太高的高层建筑来说，剪力墙体系的中的剪力墙的轴压比控制得比框架一剪力墙或者框架一筒体结构体系中的柱的轴压比低得多。混凝土和钢筋的利用率就相应降低了。一方面增加了自重，另一方面增加了造价。也就是说，20层～30层的高层建筑并不是剪力墙结构体系的最优化高度，但是随着高度的增加，剪力墙结构的优势就会逐渐显现出来。