高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨

武兆魁

（广西中正工程质量检测有限公司，广西 来宾 546100）

1 工程概况

广西壮族自治区来宾市某高层小区位于市区SQZX 北侧，DB 路东侧。该项目总用地面积为46862.17m2（合计70.29 亩），总建筑面积为131337.00m2（其中地上建筑面积104737.00m2，建筑层高为3.0m，地下建筑面积26600.00m2，建筑层高为4.3m）。建筑工程平面为规则的长方形，设计基准期为50 年，柱间距约为2.1m~3.3m，其余建筑结构详细资料见表1。其中5#楼~14#楼的1 层~6 层混凝土柱采用C40 强度等级的混凝土，6 层~12 层采用C35 强度等级的混凝土，12 层以上采用C30 强度等级的混凝土，混凝土重度均为26kN/m3，钢筋材料均为HRB400，钢材重度为78kN/m3。拟建场地地处北纬24°，属于工程抗震设防烈度6 度区和中亚热带季风气候区，降雨量充沛，夏季盛行温暖湿润的海洋气团，冬季多寒冷干燥的大陆气团，全年基本风压0.4kN/m2。年平均气温15.6°，太阳年总辐射为376.9kJ/cm2~503.9kJ/cm2，多年平均降水量为1500mm，降水量主要集中在4 月至9 月，可占全年降雨量的70%，日照大于2000 h。。场区建筑场地类别为I 类场地，场地特征周期Tg=0.25s，水平地震放大系数β为2.25[1-2]。

表1 工程建设设计基本条件

2 高层建筑结构设计方案比较

高层建筑结构设计中最主要的结构设计计算指标包括周期比、位移比、水平位移限值、层间刚度比、层间受剪承载力比、剪重比和刚重比。其中，对剪力墙结构、框架-剪力墙结构，高层建筑的刚重比按公式（1）计算；对框架结构，高层建筑的刚重比按公式（2）计算[3-5]。

式中：i为第i层楼；n为楼层总数，层；H为建筑物的总高度，m；EJd为楼层的等效刚度，kN/m；Gi为建筑物第i层的重力，kN；Di为建筑物第i层的弹性等效侧向刚度，kN/m；hi为建筑物第i层的高度。

为了对比高层建筑结构的设计方案，该文在设计时对5#楼~14#楼进行了结构设计方案对比，方案A 为框架剪力墙结构，方案B 为框架结构。计算采用建筑结构有限元通用程序SATWE 软件进行，剪力墙的受力状态采用软件中的壳单元来模拟，框架结构的受力状态通过空间杆件进行模拟。计算时，重力荷载代表值的火灾组合系数为0.50，周期折减系数为0.75，结构阻尼比为5%，地震影响系数的最大值为0.12，用于12 层以下规则混凝土框架结构薄弱层的地震影响系数最大值为0.72，梁端的负弯矩调整系数为0.85，地下室土的水平抗力系数的比例系数为3.0MN/m4，回填土的侧压力系统为0.5，回填土的容重为18kN/m3，1 层柱体、墙体的活载折减系数为1.0，2 层~3 层的增减系数为0.85，4 层~5 层的折减系数为0.70，6 层~8 层的折减系数为0.65，9 层~20层的折减系数为0.60，大于20 层的折减系数为0.55[6-7]。地震作用下框架-剪力墙结构、框架结构的周期、平动系数和扭转系数计算结果分别如图1、表2 和表3 所示。

图1 地震作用下框架结构、框架-剪力墙结构的周期、平动系数和扭转系数计算结果对比

表2 地震作用下框架-剪力墙结构的周期、平动系数和扭转系数计算结果

表3 地震作用下框架结构的周期、平动系数和扭转系数计算结果

从图1 可以看出，在地震作用下，高层建筑框架-剪力墙结构和框架结构的周期曲线表现为一致的变化规律，均随层高的增加而呈近线性下降，框架-剪力墙结构的周期计算结果比框架结构略大，而从表2 和表3 可以看出，转角则呈现不同程度的无规律剧烈波动。从图1 可以看出，在地震作用下高层建筑框架-剪力墙结构和框架结构的平动系数和扭转系统均表现为一致的变化规律，均随层高的增加而呈现不同程度的波动，而框架-剪力墙结构的平动系数和扭转系数计算结果均比框架结构小。

高层建筑-框架剪力墙结构、框架结构在x方向和y方向上的剪重比计算结果对例如图2 所示。从图2 可以看出，框架-剪力墙结构、框架结构的剪重比曲线呈现较为类似的变化规律，均随楼层高度的增加而不断上升。在同一楼层高度，框架-剪力墙结构、框架结构设计方案在x方向上的剪重比在整体上均比y方向上的剪重比小；在同一方向上，框架-剪力墙结构设计方案剪重比比框架结构设计方案剪重比小，下降了约1.05%~1.2%。

图2 地震作用下框架结构、框架-剪力墙结构的剪重比计算结果对比

高层建筑-框架剪力墙结构、框架结构在x方向和y方向上的刚重比计算结果对例如图3 所示。从图3 可以看出，框架-剪力墙结构、框架结构的刚重比曲线呈现较为类似的变化规律，均随楼层高度的增加而不断上升且呈现轻微的波动。在同一楼层高度，框架-剪力墙结构、框架结构设计方案在x方向上的刚重比在整体上均比y方向上的刚重比大；在同一方向上，框架-剪力墙结构设计方案刚重比比框架结构设计方案刚重比大，增加了约1.10%~1.35%。高层建筑各楼层的刚重比均大于1.4，满足高层建筑整体稳定性要求[8]。

图3 地震作用下框架结构、框架-剪力墙结构的刚重比计算结果对比

3 高层建筑工程结构选型经济性分析

为了更好地分析高层建筑工程设计方案的优劣，该文以混凝土折算厚度和钢筋用量2 个经济指标进行框架结构、框架-剪力墙结构的选型合理性比较，计算结果见表4。从表4可以看出，采用框架结构时，所有楼层的混凝土折算厚度变化为40.61cm/m2~65.52cm/m2，标准差为1.4924，钢筋用量变化为38.01kg/m2~67.34kg/m2，标准差为3.5195；采用框架-剪力墙结构时，所有楼层的混凝土折算厚度变化为55.10cm/m2~54.92cm/m2，标准差为3.9465，钢筋用量变化为17.00kg/m2~48.80kg/m2，标准差为3.3899。由此表明，采用框架-剪力墙结构的设计方案， 其经济性指标更合理。

表4 框架结构和框架-剪力墙结构各层的混凝土折算厚度和钢筋用量计算结果对比

4 结论

该文以广西壮族自治区来宾市某高层小区为研究对象，采用数值计算的方法，对高层建筑结构的设计指标进行研究，并运用混凝土折算厚度和钢筋用量2 个经济指标对工程结构的合理性进行比较，得出以下结论：地震作用下，高层建筑框架-剪力墙结构和框架结构的周期曲线均随层高的增加而呈近线性下降，转角则呈现不同程度的无规律剧烈波动，平动系数和扭转系统均随层高的增加而呈现不同程度的波动。

框架-剪力墙结构、框架结构的剪重比均随楼层高度的增加而不断增加，框架-剪力墙结构设计方案剪重比比框架结构设计方案剪重比小，下降了约1.05%~1.2%。刚重比则相反，增加了约1.10%~1.35%。

采用框架结构时，所有楼层的混凝土折算厚度变化为40.61cm/m2~65.52cm/m2，钢筋用量变化为38.01kg/m2~67.34kg/m2；采用框架-剪力墙结构时，所有楼层的混凝土折算厚度变化为55.10cm/m2~54.92cm/m2，钢筋用量变化为17.00kg/m2~48.80kg/m2，因此采用框架-剪力墙结构的设计方案的经济性指标更合理。