CBD复杂高层建筑结构设计要点论文_龙传常

龙传常

深圳市华江建筑设计有限公司广东深圳 518000

摘要：城市建设水平不断提升，越来越多的CBD复杂高层建筑屹立在城市中央。在设计阶段，就要考虑超高层建筑施工时如何克服各类复杂性技术问题。笔者将结合自身多年工作经验，结合实例探讨CBD复杂高层建筑结构设计要点，并给出一系列设计参考方案。

关键词：CBD复杂高层建筑；结构设计；要点分析

【前言】随着时代的发展，CBD复杂高层建筑结构设计方案未来的发展趋势必然是多元化的，将更注重人们对于环保和舒适度的追求，进一步加强全过程造价管控力度，在满足设计方案需求基础上，改善资金利用率，提升整个高层建筑设计建造效率。本工程名称厦门观音山特步营运中心，位于福建省厦门市观音山片区南侧。由地上19层塔楼及三层地下室组成，第十五层往上有11根柱往核心筒倾斜。地下埋置深度约14米，建筑地面以上高度为71.35米.地下三层局部设人防区，人防设计等级为核6级。±0.000相当于绝对标高20.00m（黄海高程）.总建筑面积约4.62万平米。该项目的建筑物安全等级为二级，结构设计使用年限为 50年，建筑抗震设防属于标准设防（二类），乙级地基基础设计，一级地下室防水等级。

1．工程设计自然条件

1.1．基本风压： Wo=0.80kN/㎡，对于总高度大于60米的高层建筑，设计基本风压按100年重现期的风压值采用，即0.95KN/m；地面粗糙度：A类。

1.2基本雪压： So=0.20kN/㎡，雪荷载准永久值系数分区 III。

1.3抗震设防有关参数：场地地震基本烈度 7度，本工程抗震设防烈度为 7度．设计基本地震加速度 0.15g；设计地震分组为第一组；建筑物场地类别 II类，设计特征周期 0.90秒。

1.4场地的工程地质及地下水条件：

工程地质：本工程基础设计以福建岩土工程勘察研究院提供的《厦门观音山特步营运中心岩土工程勘察报告》（二00八年八月）为设计依据，土层分布及持力层的选择见桩基平面布置图。

地下水：根据工程勘察报告，本工程地下水对混凝土结构不具有腐蚀性。地下室抗浮设计水位：17.00m。

2.本工程设计遵循的标准、规范、规程

本工程设计遵循：现行国家建筑结构设计规范、规程，现行福建省建筑结构设计规范、标准及业主提供的相关文件、规定：

《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）

《建筑结构荷载规范》（2006年版）（GB50009-2001）

《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）

《建筑抗震设计规范》（2008版本）（GB50011-2001）

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）

《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）

《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）

《人民防空地下室设计规范》（GB 50038-2005）

《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》（DBJ13-86-2007）

《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046-2008）

《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 500476-2008）

《福建省结构设计暂行规定》（2008.9.19）

3.设计要点

本工程为框架-筒体结构，抗震等级二级，设置地下室三层、上部结构19层，结构嵌固于地下室顶板。

不规则性分析：由于建筑需要，底部二、三层部分楼板缺失，形成部分跃层柱，二、三层楼板分别缺失，有四条柱跃层高度为12.3m，其余二条柱跃层高度为7.8m；上部自16层起外框柱以X轴向内、外倾斜至19层。向内倾斜度为25、19.3、11、22.3、14、12、18.4、8.4、16.7、11度，仅有一条柱外偏4.7度，有四条柱未偏。

3.1结构不规则性分析：

（1）底部.三层楼板面积为1760平方米，一层面积1092平方米，二层面积1242平方米，一层楼板缺失38%，二层楼板缺失29.4%，造成一及二层楼板整体性消弱，按初算结果底部一、二层为薄弱层。

（2）.底部三层由于楼板开洞而导致周边16条框架柱有六条柱为跃层柱，占37.5%应属于较多数量的长短柱和细腰形平面。

（3）．顶部有一条柱外倾，外倾角4.7度，另有10条柱内倾，形成斜柱。

3.2结构设计：

（1）.适用程序：底部楼板缺失，顶部存在斜柱，故须对楼板在正常使用荷载、风荷载、地震荷载作用下的楼板拉、压应力进行分析。

①SATWE无法对斜柱进行内力分析且刚度按斜撑计，同时无法给出楼板应力，故该程序不适用于本工程。仅可用于指标复核。斜柱与斜撑内力计算时相同的，但satwe对斜撑没有进行0.2Q0的调整，仅对不构成斜撑的直柱进行调整，导致不安全。

PMSAP可考虑斜柱的刚度且进行内力分析，同时能给出楼板应力，该程序可用于本工程。注意该程序转化后程序重新标定故须对模型做细致检查。

②在该程序中可指定斜柱，即可进行0.2Q0的调整。

（2）.设计目标：

底部二层楼板消弱过大，楼板按中震弹性设计。鉴于结构竖向不规则、扭转不规则、斜柱应判断为特别不规则，因此底部跃层柱及上部斜柱应确定为性能目标C，即中震弹性大震不屈服。跃层柱抗震等级应提高为一级，斜框架（见下文）应提高为特一级。

3.3.底部跃层柱及顶部斜柱分析：

较多数量的长短柱和细腰形平面地震不利分析，底部二层重心坐标为（（Y=52.5）\、刚心坐标为（Y=47），质心与刚心沿Y向差值为5.5m，X向地震（如考虑偶然偏心）作用下必将产生较大的扭转，对跃层柱造成不利影响。由于当前的程序均为层模型，如跃层柱每层均输入则跃层柱抗侧移刚度计算偏大与实际不符。如按跃层柱输入抗侧移刚度计算真实，但该柱在一、二层的层模型中不存在，导致一、二层的附加偏心力矩无法施加到跃层柱，导致不安全。（可将跃层柱在层模型的内力按组合收集，最终按跃层柱手工复核）。（如按跃层柱输入，弹塑性分析由于是层模型导致分析图形不真实）。

经比较satwe及PMSAP计算内力，pmsap计算单工况内力稍大于SATWE计算内力，其原因是PMSAP计算地震力偏大，但组合内力就相差较大，SATWE组合内力显示是D+L起控制作用，而PMSAP计算结果均是地震组合为控制，经手工复核satwe计算结果为组合内力组合错误。因此应取出PMSAP内力按12.3m高手工复核。

顶部斜柱自16~19层向内倾斜，在各工况荷载作用下对19层顶梁、板产生压应力（即向核心筒方向的推力），对15层梁板则造成拉力（即外框架柱向外鼓出），16~18层梁、板则出现不同的拉、压力。按整体计算，楼板可协调各个竖向抗侧力构件的变形，但在长期外拉力及内压力作用下，楼板会开裂而导致刚度退化而无法起到协调周边抗侧力构件的作用，因此应取单榀斜框架复核，计算出单榀斜框架的内力与整体计算对应取包络值配筋。

对于斜柱效应首先应分析出不同角度的内倾，角度的临界角度按推算，小于临界角度的按受力特性接近柱，大于临界角度的柱其受力特性应为斜柱。

自16~19层斜柱设计有二种设计思路，一是逐层加强，该方法是常规思路，所有节点均得到加强，但大震时梁端必然出现塑性铰，任何一层出现都将使框架柱产生较大的向内附加弯矩从而导致脆性破坏，因此设计采用将整段斜柱与顶层梁及十五层梁构成一个主要区段，该区段须做到中震弹性、大震不坏，16、17、18层梁端可出现塑性铰。一旦16~18层出现塑性铰，则14\及15层楼板将承受较大的拉应力，则该二层楼板应按中震楼板应力配筋，19层将承担较大的压应力，则楼板及梁须按中震压弯构件设计。同时要考虑楼板刚度退化的影响。

由于斜柱内倾导致对角部核心筒造成压力或拉力，该内力可通过PMSAP及ETABS计算获取，而楼板刚度退化

3.4.性能设计目标：

跃层柱按中震弹性设计，斜柱端及15、19层段按中震弹性设计算。

中震弹性即性能2，目标构件在中震下完好，其细部构造仅需满足最基本的构造要求。

跃层柱及斜框架（斜柱及梁）加强后是否需要设置型钢柱待定。

3.5计算步骤：

SATWE及PMSAP做初步分析，在对计算结果（周期、位移、位移比、弹塑性分析（采用PMSAP计算结果）、内力）做合理性分析后确定薄弱部位。

用ETABS对PMSAP的计算结果（1~3层、15~19层楼板应力、斜框架及跃层柱进行复核。如二者基本一致，则按PMSAP计算结果配筋，否则须找出原因，按包络值配筋。

程序输入时应特别注意1~4层、13~19层须指定为弹性楼板，周边四角有斜向构件（框架柱、核心筒四角为弧形墙计算简化为斜墙），输入地震力时须输入斜交角度。

在小震下计算结果做合理判断后，采用静力pushover进行大震分析，对塑性铰的出现应做合理性判断，如跃层柱、斜柱构成的斜向框架均不得出现塑性铰，塑性铰的出现的顺序应是连梁、框架梁、部分剪力墙、柱。如违反上述原则，则应加强上述部位后重新推覆，直至结果合理。注意按跃层柱输入时弹塑性分析由于是层模型导致分析图形不真实，故应每层输入该柱，采用PMSAP计算结果。

用合理的计算模型进行中震分析（二阶段设计），得出斜框架及跃层柱的配筋，斜框架须补充PK计算，取包络值配筋，

3.6.特殊构件配筋设计

核心筒抗震墙平面外与梁连接，暗柱的平面外配筋应按<高规》7.1.7条执行。

椭圆柱配筋设计：可按《混凝土规范》（附录F）任意截面构件正截面承载力计算，该方法仅适用于电算。由于电算时是按等代刚度的原则将椭圆柱等效为方柱进行内力及配筋计算，但按方柱的配筋计算结果是否能用于方柱，须做校核。

结构框架梁与外围框架柱及核心筒连接支座配筋，如支座计算配筋超过1.8%，可采用双筋截面计算降低支座配筋，在计算支座裂缝宽度时可计入梁两侧各6倍板厚宽度范围内的板纵筋Ag1，同时柱纵筋单边增加50%的Ag1；如按强度计算钢筋配置后裂缝已满足，仍须取出梁两侧各6倍板厚范围内的板纵筋Ag1，柱纵筋单边增加50%Ag1；对于箍筋的增加量须按下式计算：

柱增加的箍筋：，

其中：

以上计算公式是按照《福建省建筑结构设计暂行规定》（2008.9.19）执行。

15~19层梁须按压弯或拉弯构件复核；15层楼板平面内”外鼓”，19层楼板“内压”，平面外则承受各组合荷载作用下的弯距及剪力。15层楼板配筋设计可将平面内、外配筋分别计算叠加即可，楼板配筋应按中震弹性设计；19层楼板则须按压弯构件复核。

4.地基基础及设计处理方案

基础施工前需验槽，如发现土质与地质报告不符时需会同勘察、设计、施工、监理等单位共同协商研究处理。在设计施工方案时，要注意落实几方面要求：一是要求机械挖土时坑底应保留 200~300mm厚土层用人工挖除，防止坑底土扰动或机械撞伤桩头。开挖后应即时浇注垫层混凝土以防原状土破坏。开挖基槽时，不得扰动土的原状结构；二是当浜土较深时回填人工砂垫层处理深度不应少于0.6m；三是人工垫层分层厚度不应超过 250～300mm，按规范要求夯实，压实系数不应低于以下值：当为基础持力层时 0.97，其他为 0.94；四是基础施工设计组织应按"先深后浅"的原则，安全、合理的安排施工顺序；五是为减少基础施工时对邻近建筑道路及地下管线的影响，施工时应对邻近的建筑物及管线等进行监测，并根据所测资料及时分析，及时调整设计方案，指导施工。

5.楼面、屋面均布活荷载设计标准

楼梯、阳台等的栏杆顶部水平荷载设计标准 1.0kN/㎡；雨篷施工或检修集中荷载取 1.0kN。单体存在高低屋面时，低屋面考虑 3.0kN/㎡的临时施工荷载。消防登高场地考虑两点各 100kN力相距 4.6米不利组合。该工程3~15层核心筒以内楼板附加恒载（架空地板、找平、管线、吊顶等）为2kN/㎡，核心筒以外楼板附加恒载为1.3KN/㎡。具体见表1。

表1 设计采用的楼面、屋面均布活荷载标准值

6.钢材、混凝土设计要求

6.1 钢筋：

HPB300 钢筋强度设计值270N/ m㎡，HRB400钢筋强度设计值360N/ m㎡HRB335钢筋和 HRB400钢筋的外观标记不明显，应严格管理以防混用。吊钩吊环均采用 HPB300钢筋，严禁采用冷加工钢筋．受力预埋件的锚筋应采用 HPB300级或 HRB400级钢筋，严禁采用冷加工钢筋．抗震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件（含梯段），其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3，且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9%。钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。

6.2 钢板.型钢：

钢板、型钢： Q235B钢材强度设计值215 N/ m㎡，Q345B钢材强度设计值310 N/ m㎡，焊条：E43 XX（HPB300钢） E55 XX（HRB400钢）钢筋与型钢焊接随钢筋定焊条。型钢抗震要求：屈强比不应大于 0.85；应有明显的屈服台阶，伸长率不应小于 20%，具有良好的焊接性和合格的冲击韧性。

6.3 本工程混凝土主体结构体系类型及抗震等级见下表3：表中抗震等级均为整体结构，局部构件以单体设计为准。

表3混凝土主体结构体系类型及抗震等级

6.4各部位混凝土耐久性要求，见表4。

表4混凝土耐久性要求

6.5 钢筋接头与锚固

钢筋接头做法及部位应符合下列要求（特殊注明除外）：（1）钢筋的工地接头：当直径d≥16mm时，采用直螺纹机械连接；d≤14mm时，可采用搭接连接；（2）钢筋接头位置：一般梁、板的上筋可在跨中1/3范围内，下筋在支座处；基础梁、底板下部钢筋应在跨中，上部钢筋应在支座。独立承台不得设钢筋接头。与楼电梯间相连的楼板钢筋均应满足抗震受拉锚固。（3）接头位置应设置在受力较小处，在同一根钢筋上宜少设接头。钢筋接头应错开。在同一截面内的接头，搭接不超过 25%，机械连接或焊接不超过 50%；钢筋焊接接头连接区段的长度为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）且不小于500mm；钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）；钢筋搭接连接区段长度为1.3倍搭接长度。凡接头中点位于该连接区段长度内的接头均属于同一连接区段。（4）冷轧带肋钢筋不得焊接。（5）悬臂梁钢筋不允许有接头或搭接。（6）相邻跨等高梁梁底筋直径不同时直径较大筋伸过柱边进入直径较小筋跨内与梁底筋搭接。

7楼板、屋面板设计要求

跨度大于3.6m的板施工时应按规范要求设计起拱．各板角顶筋纵横两向必须重叠设计成网格状．当板上砌有隔墙时应在墙下板内底部增设加强筋。板上孔洞应预留，一般结构平面图中只表示洞口尺寸≥300mm的孔洞，施工时各工种必须根据各专业图纸配合土建预留全部孔洞，不得后凿。当孔洞尺寸<300mm时，洞边不再另加钢筋，板内钢筋由洞边绕过，不得截断见下图左一。当800>洞口≥300mm时，应设洞边加筋，按平面图示出的要求施工。当平面图未交代时，一般按下图右二三要求。加筋的长度为单向板受力方向或双向板的两个方向沿跨度通长，并锚入支座 >5d，且应伸入到支座中心线。单向板非受力方向的洞口加筋长度为洞口宽加两侧各 40d，且应放置在受力钢筋之上。洞口加强筋面积不少于被切断板钢筋面积，且每侧不少于 2*16。