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高层建筑结构体系及结构布置的合理选用 　　宁波科协网　　 2002-10-08 16:23:13 　　 孙　昶 　　（宁波市规划设计研究院） 　　摘　要：以惠州商住城Ｃ区塔楼为例，说明了抗侧力结构体系的确定和设计在高层建筑结构设计中的重要性。从三个方面详细论述了如何进行结构体系选择和结构布置，以及一些处理方法及构造措施。 　　关键词：高层建筑；体系；布置；选用 　　 　　高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，而结构体系的选用尤为重要，它直接关系到建筑平面布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期的长短和投资造价的高低等问题。所谓结构体系，即指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中，水平力是设计的主要因素。因为低层和多层房屋结构体系以抵抗竖向荷载为主，水平力产生的影响较小，侧向位移小，通常忽略不计。而在高层建筑结构体系中，随着高度的增加，水平力（风荷载和水平地震荷载）产生的内力和位移迅速增大，因而抵抗水平力成为结构的主要矛盾。而抗侧力结构体系的确定和设计也就成为结构设计的关键问题。 　　本文以惠州商住城（Ｃ区）工程为例，说明高层建筑结构体系的选择和结构布置。由于该工程结构方案选用合理，因而取得了明显的经济效益。 　　１　工程简介 　　惠州商住城是一座集商业、住宅、办公、旅游等多种功能于一体的高层建筑。建筑总面积为８．４万ｍ，地下三层，地上一～五层为裙房，裙房上有Ｂ、Ｃ两座塔楼，共分Ａ、Ｂ、Ｃ三个区。Ａ区为五层商场，Ｂ区为高层住宅塔楼，Ｃ区为办公及宾馆塔楼。Ｃ区建筑面积为２．７６万ｍ，一～三层为商场，内设营业大厅，四～六层为餐厅，七～十七层为宾馆客房部，十八～二十九层为办公用房，标准层共二十三层，地面以上建筑总高度为９８．５ｍ（不包括屋顶水箱及电梯机房高度）。Ｃ区塔楼采用框架－剪力墙结构，其高宽比Ｈ／Ｂ＜６，基础采用人工挖孔灌注桩，楼盖采用现浇梁板结构。所有结构构件均采用现浇法施工，基本风压值为０．５ｋＰａ，抗震设防烈度为七度。 　　２　结构体系的选择 　　２．１　竖向结构体系的选择 　　选择高层建筑结构抗侧力体系通常考虑两个因素：建筑物的高度和建筑物的用途：不同结构体系的承载力和刚度是不同的，因此它们适用的高度范围也不一样。一般来说框架结构适用于抗震设防烈度低或不考虑地震作用、层数较少、高度较低的建筑；框架－剪力墙结构能适应各种不同高度（达１００ｍ以上）建筑物的要求。 　　就本工程的Ｃ区塔楼来说，高度９８．５ｍ，七度设防，从《高规》表２．１．２中可看出适宜采用的结构体系有框架－剪力墙结构体系、剪力墙结构体系及筒体结构。 　　再考虑影响高层建筑抗侧力结构体系的另一个因素：即建筑物的用途。目前，国内高层建筑大体上可分为住宅、旅馆和公共性建筑。Ｃ区塔楼一～三层为商场，四～六层为餐厅，十八～二十九层为办公用房，因此属于公共性高层建筑。按照建筑功能的要求，需要较大空间而且能灵活划分。剪力墙结构虽然刚度大，空间整体性好，而且不外露梁柱，适应客房层的要求，但不容易形成大空间来布置公共房间，它较适合于住宅建筑。而根据Ｃ区的平面形状要求，也不能形成筒体结构。经综合考虑，选择在框架结构中布置一定数量的剪力墙而组成框架－剪力墙结构，既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，适用于Ｃ区塔楼这种集商业、办公和旅馆于一身的高层建筑。 　　２．２　楼面结构体系的选择 　　高层建筑结构中各竖向抗侧力结构（剪力墙、框架等）通过水平的楼面结构连结成空间整体，水平力将通过楼板平面进行传递和分配，因此要求楼板在自身平面内有足够大的刚度。Ｃ区塔楼高度９８．５ｍ，采用的是框架剪力墙结构，框架部分的水平力要通过楼面传到刚度很大的剪力墙上去，对楼板的平面内刚度和整体性要求更高。楼板就象水平放置的一根深梁，视其在平面内只有刚性位移，不改变形状，柱墙顶相对位移一致。因此本工程采用了较为合理的现浇楼面结构，并采取了相应的构造措施：①当楼面有较大洞口时，在洞口边设封闭式梁；②楼板最小厚度取１２０ｍｍ，易于埋设电力、电讯管道；③在剪力墙变厚处将板厚加大为１５０ｍｍ，并且在配筋上将上下层钢筋均拉通；④在折线形转折凹角处，由于楼板容易产生应力集中，亦加大了楼板配筋；⑤顶层板加厚，配双向双层筋，使整个建筑在竖向形成封闭式，减少顶部位移。 　　３　结构平面布置 　　３．１　平面形状 　　有抗震设防的高层建筑房屋，如果平面简单对称，体型规则，建筑平面布置合理，结构布置符合抗震原则，就能保证房屋具有良好的抗震性能。 　　Ｃ区塔楼由于受地形限制，且为了满足尽可能大的使用面积，平面形状为折线形。如图１所示，ｌ／ｂ＝１．６＜２、Ｌ／Ｂ＝３．４＜６平面各部分尺寸基本上满足“高层建筑平面形状的尺寸限值”，符合《高规》的规定。由于平面形状不对称，因此属于比较不规则的形状。为避免建筑物因扭转而破坏，在设计当中要采取措施予以加强，使荷载合力作用线与结构刚度中心相接近，以减少扭转的影响。 　　３．２　框架柱网的布置 　　经综合考虑，Ｃ区塔楼办公用房以及客房的开间选为４．０ｍ，这样便于客房及小间办公的分隔。为了满足底部大空间的要求，柱网开间定为８ｍ（正好为两间客房开间）。进深方向主要根据客房要求来决定，将柱设在卫生间与客房之间，既不影响客房外观，又不影响公共走道，跨度为５．５＋６．４＋５．５ｍ。这样的柱网布置既满足了建筑使用要求，又使结构受力合理，且施工方便，较为经济。 　　３．３　剪力墙的数量及其布置 　　框架－剪力墙结构是由剪力墙和框架共同承担水平力，而剪力墙承担大部分水平力，框架承载少量水平力，一般认为框架承担整个结构基底总剪力的２５％～４０％是较为经济的。因为剪力墙太少，框架承担的剪力太大，柱断面增大，有可能出现短柱，而且在地震力作用下将产生过大的位移。但如果剪力墙设置过多，使结构刚度太大，加大了地震效应，墙会很厚而造成浪费。 　　按照剪力墙布置“均匀、分散、对称、周边”的原则，Ｃ区主楼的剪力墙采用的布置形式，首先剪力墙沿建筑平面的周边布置，与外框梁柱相连，这样可以最大限度地加大抗扭转的内力臂，提高整个结构的抗扭能力。同时，将建筑平面两端部布置纵横向口字形剪力墙，即将设备用房、辅助用房、卫厕、楼梯间分别设置于两端，使纵墙和横墙互为翼缘，提高其强度和刚度。这样能最大限度地均匀分散剪力墙的布置。将楼梯间、电梯间、管道井等竖井剪力墙布置在折线转角处，此处既是竖向荷载最大处（顶上有突出屋面的屋顶水箱），又是平面形状变化处（转折角外端）。如果剪力墙承受大的竖向荷载，可以避免设置截面尺寸过大的柱子；再者剪力墙是主要抗侧力结构，承受很大的弯矩和剪力，需要较大的竖向荷载来避免出现轴向拉力，提高截面承载力，也便于基础设计。在平面变化的转折部位，容易在楼面上产生大的应用集中，因此在转折外角设置剪力墙竖井，而在转折凹角处，也采取了加大剪力墙厚度的措施，并增配钢筋，此处的边梁亦与剪力墙同厚，以增强剪力墙的刚度。如此的剪力墙布置，既满足了建筑功能的要求，又使得楼层平面刚度分布均匀，最大限度地使刚度中心与质量中心相接近，减少了建筑物受到的扭矩，使结构布置更为合理。 　　４　结构竖向布置 　　本工程采取了沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级的方法，使结构的承载力和刚度自下而上递减，变化均匀、连续、没有突变。从施工方便来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看，改变次数太少，每次变化则容易产生刚度突变。本工程每次改变，梁柱尺寸减少１００；墙厚减少５０；混凝土强度降低一个等级，而且尺寸减少与强度降低都错开了楼层，避免了同层同时改变，剪力墙厚及强度变化四次。这样的布置方式不会形成刚度突变，较为经济合理。 　　５　结束语 　　对同一个高层建筑来讲，与建筑相适应的结构体系、结构布置不是绝对的，在设计中会遇到一些复杂的因素，但合理的结构体系即最优的设计应该是唯一的。我们所要做的就是把一些互相制约的因素统一协调，取得比较完满的结果，它关系到建筑物的安全性能、使用功能及经济造价。 　　 　　作者简介：孙昶，女，１９６５年４月出身，１９８６年７月毕业于长沙铁道学院土木工程系工民建专业，获学士学位，现在宁波市规划设计研究院工作，任工程师。通信地址：宁波市大步街９号会展中心Ｂ楼１７层，邮编：３１５０４０。 。