摘要：随着建筑行业的发展，高层建筑结构类型愈发多样，结构体形扭转设计的应用更加广泛，而这种结构需要优化其结构设计与抗震设计以保证其牢固性。本文以广东省SM商业写字楼为例进行分析，就该高层结构体形扭转结构的优化设计加以探讨。
关键词：体形扭转；高层建筑；结构设计
前言
建筑抗震设计中，高层建筑扭转反应抗震设计的重要内容，应当充分结合高层建筑混凝土结构设计的技术规范的具体要求，结合工程的具体情况，选择合理的建筑结构体系，并进行建筑结构优化设计，明确构件规格及主要材料，采用合理的框架梁承载力提升措施，并开展工程结构节点设计。
1、工程概况
本次研究以广东省SM商业写字楼工程为例，该工程为独栋建筑，主要功能为办公建筑，建筑地上25层，地下2层为车库。该写字楼的建筑面积共计22000㎡，主体结构为框架-核心筒结构，建筑结构高度为103m，工程设计年限为50年，结构安全等级为二级，为Ⅲ类场地，具备6度抗震设防烈度。工程设计地震分组为第一组，可选择50年一遇的基本风压设计该写字楼的承载力，地面粗糙度为B类，在建筑基础顶部设置结构嵌固端。
2、体形扭转的高层结构设计策略
2.1合理选择建筑结构体系
该写字楼项目的外形设计，选用自底而上的斜向竖线条组成，以立面斜向线条贯穿建筑结构，建筑斜线条沿底层平面边界指向屋顶，其体形的扭转方向为顺时针为主要方向，对高层建筑的各层平面进行勾勒。出于提高建筑外立面设计需求的考量，全面对比并分析结构体系及工程造价等方面，采用建筑中间核心筒设计，与建筑工程平面相结合，在建筑平面变化较大的位置，沿扭转方向变化，设置斜框架柱。建筑工程的设计方案斜柱与核心筒的设计相互对称，建筑结构传力条件较好，未设置大跨度悬挑梁。该高层建筑的设计方案，采用典型楼层平面结构进行设置。
写字楼工程的建筑形态为两端大、中间小，2层与屋面层的面积为1004㎡，建筑中间细腰位置的14层的单层建筑面积为803㎡。该写字楼建筑主体结构为框架-核心筒结构，与核心筒相对应的斜柱呈现出相互对称的形态。写字楼工程所采用斜柱，可采用水平构件向核心筒进行力的传递。斜柱对称布置，其轴力会产生水平分力与水平荷载，二者之间的作用力相反并相互抵消。
2.2构件规格及主要材料
写字楼工程的主体核心筒外围，其剪力墙的厚度为：到屋顶厚度为300mm，X方向的厚度为400mm，Y方向的厚度为500mm。核心筒内墙的厚度规格为200mm、250mm及300mm。写字楼外围框架的截面规格包括φ1000×30mm，φ900×30mm，φ900×25mm，外围框架采用钢管混凝土结构，混凝土框架以型钢混凝土梁为主，型钢混凝土梁截面积为400×600mm，梁内采用H型钢，其H型钢的规格为400×475×12×20mm。该混凝土工程强度等级为剪力墙C50~C30，钢管柱强度等为C50~C40，标准梁板混凝土强度标号为C40，工程所选型钢型号为Q345B[1]。
2.3工程结构分析
2.3.1整体计算情况
采用计算机技术对地震多发情况下的高层建筑结构振型分解反应谱进行计算与分析，确定其计算结果并加以整合。该高层建筑工程的整体结构计算与分析结果，能够满足抗震设计规范与结构技术规程的具体要求。
2.3.2楼面构件内力分析
受到高层建筑功能布置情况的影响，该建筑工程的核心筒的X方向采用一体剪力墙，在Y方向，为门及设备预留洞口。框架-核心筒结构的角部关键位置，其墙肢较短，墙体截面为500×1200mm及500×1550mm。根据高层建筑核心筒结构及变形扭转结构特点，分析结构的关键墙肢的相关剪力。建筑工程的地震计算工况为中震弹性，地震的水平影响系数为0.12，确定荷载组合中震系数，对其Y方向的荷载情况进行分析，以设计值进行材料强度的计算。对高层建筑结构关键构件加以明确，并进行编码。经过数据分析，地震力会直接影响其底层剪力，并受到斜柱的水平分力影响，使核心筒产生较大附加剪力。
2.3.3楼面构件水平内力分析
框架-核心筒结构与变形扭转建筑结构体形特点的作用下，建筑工程的垂直方向荷载所产生的斜柱轴力与水平分力，会直接传递至水平构件及核心筒，可采用YJK计算，对水平构件轴力进行计算与分析，采用弹性模作为楼板，充分计算楼板面内刚度及框架梁中震工况轴力情况。实际上，受到斜柱受力特性的影响，建筑结构的水平构件会受到重力荷载的影响产生较大轴力，2层所受的轴力为拉力，建筑中上层所承受轴力主要为压力。
图1 高层建筑关键构件编码
2.4框架梁承载力提升措施
建筑工程多结构受力分析，其所采用斜柱轴力通过框架梁传递其水平分立，建筑结构与室内净空之间存在较大联系，可在框架梁中设置型钢以确保框架梁承载能力的提升。首先，应当将型钢设置于核心筒墙肢内，核心筒与斜柱相连的暗柱位置，则增设型钢，以确保剪力墙抗剪能力的提升，并根据中震弹性以设计关键构件；其次，将型钢材料设置于框架梁内，提高框架梁的拉力压力的承载力，为此可根据其受拉力及受压力对型钢截面加以合理设置；其三，将型钢设置于外围框架梁内，以提高外围框架梁的刚度；其四，斜柱转直柱层，可采用180mm厚楼板，其标准层可采用140mm后楼板以提高平面刚度，根据应力分析结果进行配筋。分析结构的整体屈曲情况，明确屈曲模态与屈曲因子，就结构牢固性的薄弱位置进行加固。经过分析，确认其屈曲因子超过6.1，变形扭转结构稳定性良好。
2.5工程结构节点设计
对建筑工程斜柱及水平构件的内力进行分析，在建筑整体结构的2层位置，所采用的斜柱向直柱转变，导致构件内力增强，则可证明其节点的关键性，应当对该节点进行强化设计。通过比对多节点的转折构造，可通过增加节点核心区的厚加劲环板的方式，利用8个均衡分布的竖向加劲板，使内加劲环板相互连接。所采用钢材的型号为Q345B型钢，通过坡口焊进行连接，为保证结构的完整性，在其上下柱位置进行焊接。可采用信息技术以明确风荷载情况对于建筑结构设计所造成的影响，首先可采用曲面处理系统对建筑模型进行优化，采用信息技术实现模型的转换，对结构风荷载进行有限元分析[2]。
结语
SM工程为高层建筑立面扭转工程，对该工程结构方案进行比较分析，整体分析结构的合理性，对框架-核心筒进行加固，增设关键墙肢型钢，将型钢设置于框架梁内，并增设加厚楼板，通过整体屈曲分析，确定工程结构具备较好的稳定性与牢固性。
参考文献
[1]陈琦.对高层建筑结构的扭转反应控制研究[J].低碳世界,2018(11):209-210.
[2]扶长生,张小勇,周立浪.超高层框架-核心筒结构的扭转刚度及其稳定[J].建筑结构学报,2016,37(02):26-33.
论文作者:杨书杨
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/29
标签：结构论文; 型钢论文; 框架论文; 建筑结构论文; 构件论文; 核心论文; 建筑论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;