第24卷 第16期
2008年8月
甘肃科技
V o l . 24 No . 16
A u g . 2008
高宽比超限高层建筑结构设计
罗建秀
(兰州市城建设计院, 甘肃兰州730030)
摘 要:近年来, 随着城市建设的大力开发, 涌现出大量的高层建筑, 为了提高土地的利用率, 获取较高的经济效益, 高宽比超限高层建筑也越来越多, 通过对兰州市某高层高宽比超限较多进行了计算分析和设计, 提出了一些抗震加强措施。
关键词:高宽比超限; 计算分析; 抗震加强措施中图分类号:T U 731. 2
1 工程概况
某高层商住楼, 地下2层, 地上28层(局部31层) , 裙房2层, 1层层高3. 6m , 2层层高3. 9m , 标准
层层高2. 9m , 房屋主体高度83. 4m , 计算宽度12. 1m , 采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构, 平面呈矩形, 局部凸出, 标准层结构平面见图1所示, 外墙厚300m m , 内墙地上1～3层厚250m m , 4层及以上厚200m m , 核心筒墙体厚均为250m m , 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0. 20g , 设计地震分组第二组, 特征周期0. 4s , Ⅱ类场地。
防类别为丙类, 抗震设防烈度为8度(0. 20g , 第二
组) ; 建筑结构设计使用年限为50年。3. 1 上部结构选型
采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》J G J 3-2002规定, 本工程属A 级高度的钢筋混凝土高层结构。剪力墙抗震等级为一级。计算嵌固端取在±0. 000楼板; 高宽比为83. 4/12. 10=6. 89。3. 2 基础选型及持力层选择
根据拟建场地四周地形条件和地质岩土工程勘察报告, 该工程基础形式采用平板式筏形基础, 筏基持力层为卵石层, 筏板厚度为1. 50m 。基础埋深为9. 60m , 约为房屋高度的1/8. 69, 大于房屋高度的1/15, 满足规范要求。地基基础设计等级为甲级。3. 3 主要材料
混凝土强度等级:-2～3层为C 40, 4～14层为C 35, 15层以上为C 30。
砌体:内、外墙均采用非承重粘土空心砌块, M 5混合砂浆砌筑。
钢筋:采用H P B 235级、HR B 335级。
图1 标准层平面
4 上部结构分析计算
2 地质概况
该工程建筑场地地层自上而下依次分布有:①杂填土, ②黄土状粉土, ③粉细砂, ④卵石层。卵石
层埋深7. 0～8. 5m , 呈中密状态, 地基承载力标准值f k =500K P a , 变形模量E O=50M P a 。地下水较深, 不考虑。
剪力墙结构房屋高宽比为6. 89, 按甘肃省《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》,必须采用两种计算模型进行分析对比, 因此结构计算采
用P K P M 系列的S A T W E (2005年4月版) 和P M S A P (2005年4月版) 有限元程序进行整体计算对比, 两种程序总体计算结果和各构件计算结果接近。计算时考虑耦连的振型分解反应谱法(C Q C ) , 同时考虑5%的偶然偏心地震作用下的扭转影响。
2,
3 结构设计
,
第16期 罗建秀:高宽比超限高层建筑结构设计连梁刚度折减系数0. 50, 周期折减系数1. 0, 不考虑活荷载不利分布。4. 1 周期计算振型数为15, 两种程序的X 向及Y 向有效质量系数均大于90%,15个振型的周期见下表:
程序振型[***********]415
S A T WE 周期2. 01271. 92051. 13660. 55520. 47080. 31360. 28560. 22080. 20010. 16180. 15720. 15100. 14680. 1411
扭转系数
00. 020. 960. 0200. 820. 150. 020. 180. 140. 580. 760. 720. 97
P M S A P 周期
1. 5741. 3510. 8870. 4060. 3870. 2580. 2150. 1840. 1550. 1270. 1250. 1160. 0940. 091
0. 085扭转T 3/T 1=0. 564
扭转扭转振型方向
135
向为7. 38。结构刚重比E I d /GH 2>1. 40, 结构整体
稳定满足要求。且E I d /GH 2>2. 70, 可以不考虑重力二阶效应。
4. 6 竖向构件最大轴压比及超筋超限
裙房外边框柱最大轴压比为0. 15, 剪力墙最大轴压比为0. 45。
除个别连梁配筋超限外, 剪力墙、柱及框架梁无超筋超限。绝大部分柱、剪力墙为构造配筋。
通过以上计算结果分析, 基本周期在合理范围内, 楼层剪力系数、最大弹性层间位移角、位移比、周期比均满足规范要求, 竖向抗侧力构件连续, 主要结构构件基本无超筋超限, 说明采用剪力墙结构体系合理, 主要结构构件截面选择合适。
扭转
5 特殊部位处理及施工要求
1) 基础筏板厚度较大, 在筏板、地下一层及地上一、二层设置沉降后浇带, 具体位置详初设图。后浇带筏板、梁及剪力墙内钢筋不断开, 楼板钢筋断开。后浇带应在主楼主体结构完成后, 采用比设计强度提高一级的微膨胀混凝土浇筑。2) 跨高比不大于2的连梁, 除普通箍筋外设斜向交叉构造钢筋。3) 剪刀楼梯间外侧一字型剪力墙三层以上与楼板无连接, 为了解决平面外稳定性问题, 将楼梯梯段板分布钢筋锚入墙内, 并适当增加墙体厚度, 增大暗柱配筋及提高墙体分布钢筋配筋率。4)±0. 000m 标高楼板、6. 900m 标高楼板及屋面板采用双层双向配筋, 且每层各个方向的配筋率不小于0. 25%。5) 屋面栏板每隔12m 设伸缩缝。6) 该工程基坑开挖深度为9. 6m , 在基坑开挖过程中应采取切实有效措施, 确保周边道路的安全运行及基础施工的安全。7) 在施工过程中应按有关规定设置沉降观测点并进行跟踪观测。
0. 13770. 95
T 3/T 1=0. 56
结构第一扭转振型周期与第一平动振型周期的比值, S A T W E 为0. 56, P M S A P 为0. 564, 均小于0.
90。满足规范限制要求。4. 2 最小楼层地震剪力系数S A T W E 程序:
λ3. 28%λ3. 66%x =y =P M S A P 程序:λ4. 02%λ4. 01%x =y =4. 3 地震作用下最大弹性层间位移角(不考虑偶然偏心影响) SA T W E 程序:■Ux /h=1/1179■Uy /h=1/1129
P M S A P 程序:■Ux /h=1/1723■Uy /h=1/1502
在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该层平均位移的比值, S A T W E 计算结果为:X 向最大1. 24, Y 向均小于1. 2; P M S A P 计算结果为:X 向均小于1. 2, Y 向均小于1. 2, 说明平面扭转不规则。4. 4 根据电算结果, 楼层侧向刚度均大于相邻上层的70%,且竖向抗侧力构件连续, 侧向刚度下大上小, 均匀变化, 竖向属规则结构4. 5 结构整体稳定验算及重力二阶效应
, , 6 房屋高宽比超限措施
该工程高宽比为6. 89, 超过A 级高度的高层建筑剪力墙结构不宜大于5的规范要求, 超过甘肃省不宜大于6的地方要求, 采取以下加强措施:
1) 严格控制竖向构件轴压比。框架柱最大轴压比为0. 15, 剪力墙最大轴压比为0. 44。
2) 加大基础埋深:该工程基础有效埋深为9. 6米, 为房屋高度的1/8. 69。3) 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》J G J 3-2002的5. 4. 1条进行结构整体稳定验算。根据。
136 甘 肃 科 技 第24卷
小于C Q C 法的计算结果, 说明用振型分解反应谱法进行结构设计是安全可靠的。
6) 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》J G J 3-2002的12. 1. 6条进行了水平力作用下的基底应力计算, 水平力地震作用下X 向、Y向基底未出现零应力区, 基础全截面受压, 满足规范要求, 同时有足够抗倾覆能力。
7) 底部四层纵向外边柱纵筋配率不小于1. 4%,且所有框架柱箍筋全高加密, 配箍特征值增大0. 02。
8) 纵向外边约束边缘构件纵筋配筋率不小于1. 4%,配箍特征值增大20%;构造边缘构件纵筋配筋率不小于1. 2%。
9) 剪力墙底部加强部位的水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0. 35%,一般部位的水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0. 3%。
参考文献:
[1] 全国民用建筑工程设计技术措施, 中国建筑标准设计
研究院编制.
[2] 朱炳寅. 建筑结构设计规范应用图解手册. [3] 王亚勇, 戴国莹. 建筑抗震设计规范疑问解答.
结构刚重比E I d /GH 2>1. 40, 结构整体稳定满足要
求。且E I d /GH 2>2. 70, 可以不考虑重力二阶效应。
4) 严格控制地震作用下最大弹性层间位移角(小于1/1129) 。
5) 弹性时程分析补充计算。该工程房屋高宽比超过A 级高度的高层建筑剪力墙结构不宜大于5的要求, 因此对结构采用弹性时程分析法进行补充计算。
根据建筑场地类别和设计地震分组第二组, 特征周期0. 4s , 选用了两条实测波T H 1T G 040, T H 4T G 040和一条人工模拟波R H 4T G 040进行弹性动力时程分析, 地震加速度时程曲线最大值取为70c m /s2。上述三条波均满足频谱特征, 有效峰值和持续时间地震动的三要素的要求。
弹性时程分析结果表明, 三条波的时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%,三条波时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值为振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%以上。三条波时程曲线计算结果的平均值所得的最大楼层位移、最大层间位移角、最大楼层反应力、最大楼层剪力、最大楼层弯矩等基本(上接第143页) 锚具的构造在许多资料中已有详细的介绍, 本文不再重复。下面将重点介绍梁中普通钢筋的构造, 这往往是设计人员容易忽略的问题。典型的预应力梁的截面配筋, 在设计中应注意以下几点:
(1) 梁中受拉区配置的纵向普通钢筋的最小截面面积A s 应符合下列规定:
A s f y /(As f y +As σP ) >0. 25或A s =0. 3%bh
取以上两式计算结果的较大值。纵向非预应力钢筋应均匀分布在梁的受拉区, 并靠近受拉边缘, 其直径不小于14m m , 长度应符合钢筋锚固长度的要求。
(2) 梁箍筋不仅起着抗剪的作用, 而且在施工时还起着固定波纹管的作用, 因此, 箍筋的直径不宜过细, 一般取10～16m m 。箍筋间距100～200m m 。
(3) 由于温度应力和不均沉降的影响, 即使在预应力张拉完成后, 沿梁长方向也会出现若干条较
细的垂直裂缝, 这种裂缝一般是沿梁长均匀分布。
为防止这种裂缝的出现, 梁两侧宜放置直径为10～16m m 的普通钢筋, 间距控制在100～150m m 。长度应符合钢筋锚固长度的要求。2. 3 框架柱的配筋构造
典型的框架拄配筋, 在设计中应注意:(1) 在排列柱纵向钢筋时, 必须首先考虑预应力锚具的布置。(2) 柱的纵向钢筋应尽量选用较粗的直径, 以减少钢筋的根数便于施工。当选用直径在28m m 以上的钢筋时, 应在设计中特别注明要采用机械连接, 以保证施工质量。2. 4 框架节点的配筋构造
框架边柱节点构造, 在设计中应注意以下二点与普通框架的不同之处:
(1) 梁顶纵筋伸至柱边后应向上弯折, 这是为了避免与预应力锚具和局部承压钢筋网片发生矛盾。(2) 框架柱宜伸出屋面与女儿墙同高, 便于梁顶纵筋和柱纵筋的锚固。
第24卷 第16期
2008年8月
甘肃科技
V o l . 24 No . 16
A u g . 2008
高宽比超限高层建筑结构设计
罗建秀
(兰州市城建设计院, 甘肃兰州730030)
摘 要:近年来, 随着城市建设的大力开发, 涌现出大量的高层建筑, 为了提高土地的利用率, 获取较高的经济效益, 高宽比超限高层建筑也越来越多, 通过对兰州市某高层高宽比超限较多进行了计算分析和设计, 提出了一些抗震加强措施。
关键词:高宽比超限; 计算分析; 抗震加强措施中图分类号:T U 731. 2
1 工程概况
某高层商住楼, 地下2层, 地上28层(局部31层) , 裙房2层, 1层层高3. 6m , 2层层高3. 9m , 标准
层层高2. 9m , 房屋主体高度83. 4m , 计算宽度12. 1m , 采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构, 平面呈矩形, 局部凸出, 标准层结构平面见图1所示, 外墙厚300m m , 内墙地上1～3层厚250m m , 4层及以上厚200m m , 核心筒墙体厚均为250m m , 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0. 20g , 设计地震分组第二组, 特征周期0. 4s , Ⅱ类场地。
防类别为丙类, 抗震设防烈度为8度(0. 20g , 第二
组) ; 建筑结构设计使用年限为50年。3. 1 上部结构选型
采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》J G J 3-2002规定, 本工程属A 级高度的钢筋混凝土高层结构。剪力墙抗震等级为一级。计算嵌固端取在±0. 000楼板; 高宽比为83. 4/12. 10=6. 89。3. 2 基础选型及持力层选择
根据拟建场地四周地形条件和地质岩土工程勘察报告, 该工程基础形式采用平板式筏形基础, 筏基持力层为卵石层, 筏板厚度为1. 50m 。基础埋深为9. 60m , 约为房屋高度的1/8. 69, 大于房屋高度的1/15, 满足规范要求。地基基础设计等级为甲级。3. 3 主要材料
混凝土强度等级:-2～3层为C 40, 4～14层为C 35, 15层以上为C 30。
砌体:内、外墙均采用非承重粘土空心砌块, M 5混合砂浆砌筑。
钢筋:采用H P B 235级、HR B 335级。
图1 标准层平面
4 上部结构分析计算
2 地质概况
该工程建筑场地地层自上而下依次分布有:①杂填土, ②黄土状粉土, ③粉细砂, ④卵石层。卵石
层埋深7. 0～8. 5m , 呈中密状态, 地基承载力标准值f k =500K P a , 变形模量E O=50M P a 。地下水较深, 不考虑。
剪力墙结构房屋高宽比为6. 89, 按甘肃省《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》,必须采用两种计算模型进行分析对比, 因此结构计算采
用P K P M 系列的S A T W E (2005年4月版) 和P M S A P (2005年4月版) 有限元程序进行整体计算对比, 两种程序总体计算结果和各构件计算结果接近。计算时考虑耦连的振型分解反应谱法(C Q C ) , 同时考虑5%的偶然偏心地震作用下的扭转影响。
2,
3 结构设计
,
第16期 罗建秀:高宽比超限高层建筑结构设计连梁刚度折减系数0. 50, 周期折减系数1. 0, 不考虑活荷载不利分布。4. 1 周期计算振型数为15, 两种程序的X 向及Y 向有效质量系数均大于90%,15个振型的周期见下表:
程序振型[***********]415
S A T WE 周期2. 01271. 92051. 13660. 55520. 47080. 31360. 28560. 22080. 20010. 16180. 15720. 15100. 14680. 1411
扭转系数
00. 020. 960. 0200. 820. 150. 020. 180. 140. 580. 760. 720. 97
P M S A P 周期
1. 5741. 3510. 8870. 4060. 3870. 2580. 2150. 1840. 1550. 1270. 1250. 1160. 0940. 091
0. 085扭转T 3/T 1=0. 564
扭转扭转振型方向
135
向为7. 38。结构刚重比E I d /GH 2>1. 40, 结构整体
稳定满足要求。且E I d /GH 2>2. 70, 可以不考虑重力二阶效应。
4. 6 竖向构件最大轴压比及超筋超限
裙房外边框柱最大轴压比为0. 15, 剪力墙最大轴压比为0. 45。
除个别连梁配筋超限外, 剪力墙、柱及框架梁无超筋超限。绝大部分柱、剪力墙为构造配筋。
通过以上计算结果分析, 基本周期在合理范围内, 楼层剪力系数、最大弹性层间位移角、位移比、周期比均满足规范要求, 竖向抗侧力构件连续, 主要结构构件基本无超筋超限, 说明采用剪力墙结构体系合理, 主要结构构件截面选择合适。
扭转
5 特殊部位处理及施工要求
1) 基础筏板厚度较大, 在筏板、地下一层及地上一、二层设置沉降后浇带, 具体位置详初设图。后浇带筏板、梁及剪力墙内钢筋不断开, 楼板钢筋断开。后浇带应在主楼主体结构完成后, 采用比设计强度提高一级的微膨胀混凝土浇筑。2) 跨高比不大于2的连梁, 除普通箍筋外设斜向交叉构造钢筋。3) 剪刀楼梯间外侧一字型剪力墙三层以上与楼板无连接, 为了解决平面外稳定性问题, 将楼梯梯段板分布钢筋锚入墙内, 并适当增加墙体厚度, 增大暗柱配筋及提高墙体分布钢筋配筋率。4)±0. 000m 标高楼板、6. 900m 标高楼板及屋面板采用双层双向配筋, 且每层各个方向的配筋率不小于0. 25%。5) 屋面栏板每隔12m 设伸缩缝。6) 该工程基坑开挖深度为9. 6m , 在基坑开挖过程中应采取切实有效措施, 确保周边道路的安全运行及基础施工的安全。7) 在施工过程中应按有关规定设置沉降观测点并进行跟踪观测。
0. 13770. 95
T 3/T 1=0. 56
结构第一扭转振型周期与第一平动振型周期的比值, S A T W E 为0. 56, P M S A P 为0. 564, 均小于0.
90。满足规范限制要求。4. 2 最小楼层地震剪力系数S A T W E 程序:
λ3. 28%λ3. 66%x =y =P M S A P 程序:λ4. 02%λ4. 01%x =y =4. 3 地震作用下最大弹性层间位移角(不考虑偶然偏心影响) SA T W E 程序:■Ux /h=1/1179■Uy /h=1/1129
P M S A P 程序:■Ux /h=1/1723■Uy /h=1/1502
在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该层平均位移的比值, S A T W E 计算结果为:X 向最大1. 24, Y 向均小于1. 2; P M S A P 计算结果为:X 向均小于1. 2, Y 向均小于1. 2, 说明平面扭转不规则。4. 4 根据电算结果, 楼层侧向刚度均大于相邻上层的70%,且竖向抗侧力构件连续, 侧向刚度下大上小, 均匀变化, 竖向属规则结构4. 5 结构整体稳定验算及重力二阶效应
, , 6 房屋高宽比超限措施
该工程高宽比为6. 89, 超过A 级高度的高层建筑剪力墙结构不宜大于5的规范要求, 超过甘肃省不宜大于6的地方要求, 采取以下加强措施:
1) 严格控制竖向构件轴压比。框架柱最大轴压比为0. 15, 剪力墙最大轴压比为0. 44。
2) 加大基础埋深:该工程基础有效埋深为9. 6米, 为房屋高度的1/8. 69。3) 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》J G J 3-2002的5. 4. 1条进行结构整体稳定验算。根据。
136 甘 肃 科 技 第24卷
小于C Q C 法的计算结果, 说明用振型分解反应谱法进行结构设计是安全可靠的。
6) 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》J G J 3-2002的12. 1. 6条进行了水平力作用下的基底应力计算, 水平力地震作用下X 向、Y向基底未出现零应力区, 基础全截面受压, 满足规范要求, 同时有足够抗倾覆能力。
7) 底部四层纵向外边柱纵筋配率不小于1. 4%,且所有框架柱箍筋全高加密, 配箍特征值增大0. 02。
8) 纵向外边约束边缘构件纵筋配筋率不小于1. 4%,配箍特征值增大20%;构造边缘构件纵筋配筋率不小于1. 2%。
9) 剪力墙底部加强部位的水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0. 35%,一般部位的水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0. 3%。
参考文献:
[1] 全国民用建筑工程设计技术措施, 中国建筑标准设计
研究院编制.
[2] 朱炳寅. 建筑结构设计规范应用图解手册. [3] 王亚勇, 戴国莹. 建筑抗震设计规范疑问解答.
结构刚重比E I d /GH 2>1. 40, 结构整体稳定满足要
求。且E I d /GH 2>2. 70, 可以不考虑重力二阶效应。
4) 严格控制地震作用下最大弹性层间位移角(小于1/1129) 。
5) 弹性时程分析补充计算。该工程房屋高宽比超过A 级高度的高层建筑剪力墙结构不宜大于5的要求, 因此对结构采用弹性时程分析法进行补充计算。
根据建筑场地类别和设计地震分组第二组, 特征周期0. 4s , 选用了两条实测波T H 1T G 040, T H 4T G 040和一条人工模拟波R H 4T G 040进行弹性动力时程分析, 地震加速度时程曲线最大值取为70c m /s2。上述三条波均满足频谱特征, 有效峰值和持续时间地震动的三要素的要求。
弹性时程分析结果表明, 三条波的时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%,三条波时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值为振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%以上。三条波时程曲线计算结果的平均值所得的最大楼层位移、最大层间位移角、最大楼层反应力、最大楼层剪力、最大楼层弯矩等基本(上接第143页) 锚具的构造在许多资料中已有详细的介绍, 本文不再重复。下面将重点介绍梁中普通钢筋的构造, 这往往是设计人员容易忽略的问题。典型的预应力梁的截面配筋, 在设计中应注意以下几点:
(1) 梁中受拉区配置的纵向普通钢筋的最小截面面积A s 应符合下列规定:
A s f y /(As f y +As σP ) >0. 25或A s =0. 3%bh
取以上两式计算结果的较大值。纵向非预应力钢筋应均匀分布在梁的受拉区, 并靠近受拉边缘, 其直径不小于14m m , 长度应符合钢筋锚固长度的要求。
(2) 梁箍筋不仅起着抗剪的作用, 而且在施工时还起着固定波纹管的作用, 因此, 箍筋的直径不宜过细, 一般取10～16m m 。箍筋间距100～200m m 。
(3) 由于温度应力和不均沉降的影响, 即使在预应力张拉完成后, 沿梁长方向也会出现若干条较
细的垂直裂缝, 这种裂缝一般是沿梁长均匀分布。
为防止这种裂缝的出现, 梁两侧宜放置直径为10～16m m 的普通钢筋, 间距控制在100～150m m 。长度应符合钢筋锚固长度的要求。2. 3 框架柱的配筋构造
典型的框架拄配筋, 在设计中应注意:(1) 在排列柱纵向钢筋时, 必须首先考虑预应力锚具的布置。(2) 柱的纵向钢筋应尽量选用较粗的直径, 以减少钢筋的根数便于施工。当选用直径在28m m 以上的钢筋时, 应在设计中特别注明要采用机械连接, 以保证施工质量。2. 4 框架节点的配筋构造
框架边柱节点构造, 在设计中应注意以下二点与普通框架的不同之处:
(1) 梁顶纵筋伸至柱边后应向上弯折, 这是为了避免与预应力锚具和局部承压钢筋网片发生矛盾。(2) 框架柱宜伸出屋面与女儿墙同高, 便于梁顶纵筋和柱纵筋的锚固。