高层建筑结构分析

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高层建筑结构分析范文第1篇

关键词：高层建筑、结构体系分析、设计、转换层、布置

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

一、高层建筑结构体系分析

高层建筑的结构体系与其自身的承载能力、抗震能力、造价高低等密切相关，不同的结构体系适用于不同的层数和高度，所具的功能也不尽相同。以下就对常用的结构体系进行分析。

1、剪力墙结构：即利用建筑物墙体作为抵抗水平荷载、承受竖向荷载的结构体系。此结构体系的整体性较好，刚度较大，在水平荷载作用下不但侧向变形小，而且承载力也得到很好满足。若高层建筑采用剪力墙结构，则以弯曲变形为主，其整移曲线呈弯曲状，层间位移会随楼层的增高而加大。所以剪力墙结构最大的不利就是剪力墙间距不能太大，平面布置不够灵活。故剪力墙结构在民用住宅及酒店旅馆高层建筑中应用较多，适宜于建造较高的高层建筑。

2、框架结构：即由梁和柱通过节点构成承载结构。常用于钢结构和钢筋混凝土结构中，可灵活布置建筑空间，且具有较大的室内空间，故使用比较方便。但此结构梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，故建筑高度受到一定限制，主要用于不考虑抗震设防、层数不太多，且低于七十米的高层建筑中。

3．框架—剪力墙结构：即在框架结构中设置部分剪力墙，使两者相互结合扬长避短，共同抵抗水平荷载。此结构远高于框架结构的刚度和承载能力，防震性能极高，当发生地震时，层间变形减小，对非结构构件（隔墙及外墙）的破坏也小，所以此结构可用来建造层数较高的建筑，得到人们广泛青睐。

4．筒体结构：即采用筒体为抗侧力构件的结构体系。筒体是一种空间受力构件，分空腹筒和实腹筒两种类型。空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件，实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体。此结构具有很好的整体性和抗侧力性，且平面布置的灵活度和承重的能力也具有明显优势，被广泛用于众多高层和超高层建筑结构中。

总之，不同的结构体系具有不同的强度和刚度，适合的建筑高度和层数也不同。下面笔者就结合工程实例来说明结构体系的选择和布置以及转换层结构分析与设计。

二、 工程实例

某高层工程拟建场地为缓坡地形，场地地层构造及地形稳定，属抗震有利地段，设六级抗震。此高层由商业裙楼及1幢高层塔楼组成。设地下2层，地上27层。其中地下室层高3.6m，布置设备用房及公共机动车泊位，设六级人防。地上1～3层为商业用房，层高4.6m；第4层为转换层，层高5.8m；4层以上为住宅，层高设3m。27层为机房，室外地坪以上主体高度为82.8m，建筑总高度含机房93.4m。三、结构体系的选择、布置与设计。1、结构体系的选择，不但要根据上述各结构的特点分析，还要结合相关单位要求。该高层要求住宅楼每层有10户，每户户型及面积均不相同。为充分争取有效建筑面积和灵活布置及考虑到建筑的用途、高度和抗震、承重能力，经多方论证，采用大开间剪力墙结构最宜。底部3层为商业用房，为满足大空间建筑功能要求，采用框架剪力墙结构体系。

2、结构平面布置。由上述分析知工程底部为框架-剪力墙结构，体形复杂，不规则；4层转换层以上为纯剪力墙结构。但由于相关单位要求住户建筑面积和户型不同，故住宅建筑布置不对称，所以剪力墙的布置必须经过多次试算，直到达到“剪力墙布置分散、均匀，且尽量沿周边布置，以增强抗扭效果“的目的；同时还要保证：质量中心与刚度中心偏差不超过规定值，结构偏心率较小；各层最大水平位移与层间位移比值不大于偏差比值等，即所有条件均满足平面布置及控制扭转的要求时，方可验证结构平面布置规划的合理性，才能进入有效结构设计中去。 3、结构的设计。在结构总体设计时，应对结构体系的特点有清醒的认识，有针对性的对结构薄弱层、薄弱部位及由于建筑设计方案可能带来的抗风抗震设计缺陷有宏观的把握，然后借助于工程设计软件进行正确建模，采取多方案对比试算，最后制定完善的结构方案。本文此处省去计算环节，经计算认为上述所选结构方案为最佳结构形式。设计时需要重点解决的问题是：①减少转换次数，缩短传力途径。②为保证结构沿竖向刚度均匀变化，应设法争取尽可能多的上下贯通构件。结合电梯井道、消防楼梯间及电梯厅，布置了一个中央核心筒；此外还要根据塔楼四角剪力墙分布情况，在底部裙楼对应部位设置落地贯通的L型加厚角墙。③合理布置裙楼柱网，使不落地剪力墙直接通过转换层托梁。④框支剪力墙结构是抗震不利的结构体系，设计重点应放在转换层，当转换层位置较高时应加强底部框支层的等效刚度，防止底部位移突变。四、转换层的结构设计4.1抗震等级的确定本建筑4层为转换层，4层以下为框架-剪力墙结构，以上为纯剪力墙结构，故是多种结构体系共存的高层建筑，因而不能像单纯的框架结构或者剪力墙结构那样笼统的确定抗震等级，而应该严格按照现行规范标准，有针对性的分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级。该工程属“框架剪力墙”，高度93.4m，6度设防，框支框架等级为二级，剪力墙底部加强部位为二级，非底部加强部位剪力墙为三级；由于工程转换层设在建筑4层楼面，属于高位转换，根据《高规》中对复杂高层建筑结构设计的特别规定，“当转换层位置设在三层及三层以上时，其框支柱、剪力底部加强部位的抗震等级尚宜按本规程表4.8.2和表4.8.3的规定提高一级”，故该工程框支柱应定为一级，剪力墙底部加强部位定为一级。4.2结构竖向布置高层建筑的侧向刚度宜下大上小，且应避免刚度突变。然而带转换层的结构显然有悖于此，因此《高规》对转换层结构的侧向刚度作了专门规定。基于该工程而言，属于高位转换，转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1，不应大于1.3。所以在设计过程中，应把握强化下部，弱化上部，尽量避免出现薄弱层的原则。具体的方法：①与建筑专业协商，使尽可能多的剪力墙落地，必要时甚至可以在底部增设部分剪墙（不伸上去）。这是增大底部刚度最有效的方法。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外，还要进行专业的协商，让两侧各有一片剪力墙落地，且北部的一大片L型剪力墙也落至基础。这样都可大大增强底部刚度。②底部剪力墙尽量不开洞或开小洞，以免刚度削弱太多。③加大底部剪力墙厚度，减小上部剪力墙厚度，转换层以下剪力墙厚度区取400m厚，上部厚度取200mm。④提高底部柱、墙混凝土强度等级，建议采用C55混凝土。4.3转换层楼板本工程框支剪力墙结构以转换层为分界，上下两部分的内力分布规律不同。在上部楼层，外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配；而在下部楼层，由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务，并且由于转换层楼板必须有足够的刚度保证，转换层楼板采用C40的混凝土，厚度采用200mm，Φ12@150钢筋双层双向整板拉通，配筋率达0.41%。另外，为了协助转换层楼板完成剪力重分配，应将该层以上及以下各一层楼板也适当加强，均取厚度150mm。五、结语

上述结合工程实例来说明如何进行高层建筑结构体系的选择、布置、设计以及抗震等级的确定、结构竖向布置和转换层结构的设计，是笔者结合自身实践发表的的一些个人拙见，期望对大家有借鉴作用，当然对论述不当之处还望多提宝贵意见。

参考文献

[1]林东;浅谈高层建筑结构设计[J];科技创新导报;2011年20期

[2]冯春林;浅谈建筑结构设计[J];科技风;2009年11期

高层建筑结构分析范文第2篇

【关键词】建筑结构设计

一、高层建筑结构设计特点

1. 水平荷载成为决定因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2. 轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

3. 侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4. 结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

二、高层建筑的结构体系

1. 框架-剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架-剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架-剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

2. 剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架-剪力墙体系。

3. 筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

三、高层建筑结构分析

1. 高层建筑结构分析的基本假定

（1）弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，往往会产生较大的位移，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题（P-Δ效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H > 1/500时， P-Δ效应的影响就不能忽视了。

（3）刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

（4）计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：①一维协同分析。②二维协同分析。③三维空间分析。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。

2. 高层建筑结构静力分析方法

（1）框架-剪力墙结构。框架-剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架-剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。

（2）剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。

（3）筒体结构。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。

等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。

高层建筑结构分析范文第3篇

关键词：高层建筑；结构设计： 优化设计

前言

多层和高层结构的差别主要是层数和高度上,但从实际情况上分析两者并没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本上是相同的。但是在高层建筑中，要使用更多结构材料来抵抗外荷载，特别是水平荷载，因此抗侧力结构成为结构设计的主要问题。

一、高层住宅结构分析

高层建筑结构设计过程中主要把握以下几个方面:

1、水平荷载成为控制结构设计的主要因素。结构内力、位移与高度的关系，除轴向力与高度成正比之外，弯矩和位移随高度都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为主要控制因素。水平力作用下结构是否优化，材料用量将有很大差别。

2、在抗震地区，随着层数的增加，地震作用对高层建筑危害的可能性也比对多层建筑大，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视，工程位于抗震区，无需进行地震作用计算，仍需要考虑抗震的构造措施。

3、结构侧向位移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而应将结构在水平荷载作用下的侧移控制在某一限度之内。

4、轴向变形不容忽视。高层建筑中竖向荷载数值很大，使得柱产生较大的轴向变形，从而会使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。轴向变形还会对预制构件的下料长度产生影响，需要根据轴向变形的计算值调整下料长度。另外轴向变形也会对构件的剪力和侧移产生影响，如不考虑构件竖向变形将会得出偏于不安全的计算结果。

5、结构延性是重要设计指标。相对于多层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形会更大一些。为了避免结构倾覆倒塌，特别需要在构造上采取合理措施，使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，即保证结构具有足够的延性。

二、结构分析的基本原则

1、整体参数的设定

开始结构计算时，首先需要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述，以及工程的实际情况，准确设置软件的初始计算参数。其中有几个关系到整体计算结果的参数，必须事先确定其合理取值，才能保证后续计算结果的正确性。这些参数包括地震信息、风荷载信息等。此计算目的是将这些对全局有控制作用的整体参数先行计算出来，正确设置，否则其后的计算结果与实际差别很大。

2、结构体系的合理性分析

规范特别强调了整体结构的科学性和合理性。对结构进行整体分析是为了解结构在地震作用下动力特性、判断结构的变形是否满足抗震设防要求，以及进行构件截面设计。规范中用于控制整体结构合理性的指标主要是周期比、位移比、刚度比、刚重比和剪重比等。

（1）周期比是控制结构扭转效应的重要指标。周期比是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。限定周期比的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至于出现过大的扭转。也就是说，限定周期比是使得结构承载布局合理。《高规》第4.3.5条对周期比的限值给出了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员应增大结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。计算软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转和第一平动周期，然后计算得出周期比。

（2）层间位移比(位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。位移比为最大层间位移与平均层间位移的比值。在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均对位移比的限值作了明确的规定。需要指出的是规范中规定的位移比限值是按刚性板假定得出的，如在结构模型中设定的是弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”，以计算出正确的位移比。在得出的位移比值满足要求之后，去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”的选择，按弹性楼板假定进行后续配筋计算。

（3）刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据《抗震规范》和《高规》的要求，软件分别提供了地震剪力与地震层间位移比，剪切刚度和剪弯刚度的计算方法。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键。地震剪力与地震层间位移比可用于判断地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端。剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定。剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构。

（4）刚重比是控制结构整体稳定性的重要指标。刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它既是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效应的主要参数。如该值不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，因而设计人员应给予足够的重视。

（5）剪重比(剪力系数)是抗震设计中非常重要的参数。剪重比是楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值。《抗震规范》中5.2.5节对剪重比的最小值进行了规定，主要是因为对于长周期结构，规范所采用的振型分解反应谱法无法正确计算出地震力所产生的作用，出于结构安全考虑，因而规定了最小剪重比。

3、结构构件的优化设计

上述主要是针对结构整体合理性的计算和调整，这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算，包括梁，柱，剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等。

（1）软件对混凝土梁计算显示超筋信息有四种情况。1)当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋。2)在四级抗震及非抗震时混凝土截面受压区相对高度ξ>，二、三级抗震时ξ>0.35(计算时取AS=0.3AS)，一级抗震时ξ>0.25(计算时取As’=0.5AS)，提示超筋。3)当大于《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%时，提示超筋。4)混凝土梁斜截面计算结果不满足最小截面的要求时，则提示超筋。

（2）剪力墙超筋的情况。1)剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4%，而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积，没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时，可以酌情考虑;2)当剪力墙水平筋超筋时则说明该结构抗剪承载力不够，应予以调整;3)当剪力墙连梁超筋时，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。规范中允许在地震作用下对剪力墙连梁的刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁在都会出现塑性变形，即开裂。但在进行剪力墙连梁设计时，应考虑其配筋是否满弹性变形时承载力的要求。

（3）柱的轴压比计算。软件在计算考虑地震作用下柱的轴压比时，采用的是地震作用组合下的的柱轴力设计值;软件在不考虑地震作用下柱的轴压比时，采取的是非地震作用组合下的柱轴力设计值。因此对于同一个工程，考虑地震力和不考虑地震力时柱的轴压比计算结果会不一样。

（4）剪力墙的轴压比计算。为了保证结构在地震力作用下的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙的轴压比均作了限制。需要指出的是，软件是按单向计算短肢剪力墙的轴压比时，与《高规》中规定按双向计算短肢剪力墙的轴压比有所不同。

高层建筑结构分析范文第4篇

关键词:住宅建筑；结构设计；SATWE软件；抗震性能

中图分类号： TU2 文献标识码： A 文章编号：

随着我国社会经济建设的快速发展，城市化进程不断加快，城镇人口日益增加，致使城市住房建设用地较为紧张，超高层住宅建筑的建设也日益增加。目前，超高层住宅建筑内部结构设计方面的变化愈加明显，许多新兴的结构设计方案逐渐被超高层住宅建筑工程所采用。同时住宅建筑结构类型与使用功能越来越复杂，结构体系日趋多样化，对住宅建筑结构设计工作的要求也不断提高。在超高层建筑建设过程中，部分建筑的结构设计环节并不是十分合理，加上工程设计人员容易出现一些概念性的错误，给建筑的质量安全和使用带来了一定的安全隐患。因此，如何提高超高层住宅建筑结构设计水平，就成为了工程设计人员面临的一项难题。

1 工程概况

某高层住宅建筑面积为29000.4m2，地下1层，地上43层，大屋面高度138.02m。本工程结构体系采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，120m＜高度＜150m，属于B级高度建筑，楼盖为现浇钢筋砼梁板体系。

建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类)，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s，地震影响系数最大值采用0.08，上部结构阻尼比0.05。建筑类别调整后用于抗震验算的烈度为7度，用于确定抗震等级的烈度为7度，剪力墙抗震等级为一级。

2 基础设计

本工程的基础设计等级为甲级，主楼基础采用冲钻孔灌注桩，桩身混凝土强度等级为C35，桩直径为1100mm，单桩竖向承载力特征值为8000kN；桩端持力层中风化凝灰岩(11)层，桩身全断面进入持力层≥1100mm，桩长约50m。桩基全面施工前应进行试打桩及静载试验工作，以确定桩基施工的控制条件和桩竖向抗压承载力特征值。

承台按抗冲切、剪切计算厚度为2700mm，承台面标高为－5.200，基础埋置深度为7.7m(从室外地面起算)。

3 上部结构设计

3.1 超限情况的认定

参照建设部建质［2006］220号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》附录一“超限高层建筑工程主要范围的参照简表”，结合本工程实际逐条判别，将存在超限的情况汇总如下。

(1)附表一，房屋高度方面

设防烈度为7度，剪力墙结构，总高度138.05m＞［120m］，超限。

(2)同时具有附表二所列三项及三项以上不规则的高层建筑(因篇幅所限，本文不再详细列出)。

第一项．扭转不规则:考虑偶然偏心的扭转位移比＞1.2但＜1.3，虽然本条超限，但仅此一项。所以本工程不属于附表二所列的超限高层。

(3)具有附表三某一项不规则的高层建筑工程。根据SATWE计算结果分析、判别，本工程亦不属于表三所列的超限高层。

综上所述，本工程只属于高度超限的超高层建筑。

3.2 上部结构计算分析及结构设计

本工程为剪力墙结构，120m＜高度＜150m，属于B级高度建筑，按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2002)(以下简称高规)5.1.13条规定:

(1)应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算。

(2)应采用弹性时程分析法进行整体补充计算。

根据《高规》要求，本工程采用的时程分析计算程序为PKPM系列的SATWE软件，并采用PMSAP软件进行对比分析。

本工程属于纯剪结构，作为抗侧力构件的剪力墙，选用正确的结构分析程序尤为重要。SATWE对剪力墙采用墙元模型来分析其受力状态，这种模型的计算精度比薄壁柱单元高，所以我省大多数工程的结构计算都选用SATWE程序。实际上就有限元理论目前的发展水平来看，用壳元来模拟剪力墙的受力状态是比较切合实际的，因为壳元和剪力墙一样，既有平面内刚度，又有平面外刚度。实际工程中的剪力墙几何尺寸、洞口大小及其空间位置等都有较大的随意性。为了降低剪力墙的几何描述和壳元单元划分的难度，SATWE借鉴了SAP84的墙元概念，在四节点等参平面壳元的基础上，采用静力凝聚原理构造了一种通用墙元，减少了部分剪力墙因墙元细分而增加的内部自由度和数据处理量，虽然提高了分析效率，却影响了剪力墙的分析精度。此外，从理论上讲，如果对楼板采用平面板元或壳元来模拟其真实的受力状态和刚度，对结构整体计算分析比较精确，但是这样处理会增加许多计算工作。在实际工程结构分析中，多采用“楼板平面内无限刚”假定，以达到减少自由度，简化结构分析的目的，这对于某些工程可能导致较大的计算误差。SATWE对于楼板采用了以下几种假定:(1)楼板平面内无限刚；(2)楼板分块平面内无限刚；(3)楼板分块平面内无限刚，并带有弹性连接板；(4)楼板为弹性连接板。对弹性楼板实际上是以PMCAD前处理数据中的一个房间的楼板作为一个超单元，内部自由度被凝聚了，计算结果具有一定的近似性，某种程度上影响了分析精度。根据高规要求，本工程应采用两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算，由于PMSAP对剪力墙和楼板都采用了比较精确的有限元分析，单元模型更接近结构的真实受力状态，虽然数据处理量大大增加，但其分析精度却比SATWE高。用PMSAP软件对SATWE程序的计算结果进行分析、校核，是比较可信的。

SATWE和PMSAP两个程序均采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，弹性时程分析法计算结果作为振型分解反应谱法的补充。

程分析主要结果汇总如下:

表1 结构模态信息

表2 地震荷载(反应谱法)和风荷载下计算得到的结构最大响应

多遇地震时弹性时程分析所取的地面运动加速度时程的最大值为35cm/s2。针对报告中提供的实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，根据08版抗震规范要求，本工程选择了两条天然波和一条人工波。这三条波的时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值亦大于振型分解反应谱法(以下简称CQC)计算结果的80%。由此可见本工程选择的地震波是满足规范及设计要求的。

SATWE和PMSAP时程分析的楼层剪力曲线如(图1、图2)所示。

图1 SATWE时程分析楼层剪力图

图2 PMSAP时程分析楼层剪力图

比较上图振型分解反应谱法(CQC)计算的楼层剪力曲线图，在大部分楼层基本能包络时程分析曲线，仅电算34层以上CQC法计算楼层剪力略小于时程分析的结果。由此可见振型分解反应谱法用于本工程的抗震分析是安全可靠的。设计中仍以振型分解反应谱法计算结果为主，并将34层以上部分指定为薄弱层，该部分楼层地震剪力予以放大。这一方案也得到了本工程超限高层审查与会专家的认可。

比较PMSAP和SATWE计算出的基底剪力非常接近，其余参数如周期、结构的总质量、地震荷载和风荷载下计算得到的结构最大响应位移、地震下的剪重比等都比较接近，说明用这两个程序做计算分析是可以互相校核的。

3 抗震性能设计

本工程综合考虑设防烈度，场地条件，房屋高度，不规则的部位和程度等因素，本工程只属于高度超限的超高层建筑，且高度只超过A级而未超过B级，故将本工程预期抗震性能目标定位在“D”级，即为小震下满足性能水准1的要求，中震满足性能水准4的要求，大震下满足性能水准5的要求。

普通的高层结构抗震设计基于小振弹性设计，对于本超高层结构作为主要承重构件的剪力墙，尤其是底部加强区需要提高其抗震承载能力。根据抗震概念设计“强柱弱梁、强剪弱弯”的要求，剪力墙也需要有更高的抗震安全储备，所以本工程剪力墙底部加强区采用中震设计。具体措施如下:

(1)根据安评报告中震设计的地震影响系数最大值采用0.23，不考虑与抗震等级有关的内力增大系数(即剪力墙抗震等级定为四级)，不计入风荷载的组合效应。

(2)抗剪验算按中震弹性设计，考虑重力荷载与地震作用组合的分项系数，材料强度取设计值，考虑抗震承载力调整系数。计算结果作为剪力墙底部加强区水平筋的配筋依据。

(3)抗弯验算按中震不屈服设计，不考虑重力荷载与地震作用组合的分项系数，材料强度取标准值，不考虑抗震承载力调整系数。计算结果作为剪力墙底部加强区约束边缘构件竖向钢筋的配筋依据。

本工程通过对关键构件剪力墙底部加强区进行中震设计，即抗弯承载力按中震不屈服复核，抗剪承载力按中震弹性复核，结构能满足性能水准1、4的要求，预估结构在大震作用下能满足性能水准5的要求。各性能水准目标具体描述如下:

性能水准1:结构在遭受多遇地震后完好，无损伤，一般不需修理即可继续使用，人们不会因结构损伤造成伤害，可安全出入和使用。

性能水准4:遭受设防烈度地震后结构的重要部位构件轻微损坏，出现轻微裂缝，其他部位普通构件及耗能构件发生中等损害。

性能水准5:结构在预估的罕遇地震下发生比较严重的损坏，耗能构件及部分普通构件损坏比较严重，关键构件中等损坏，有明显裂缝，结构需要排险大修。

4 结论

通过工程实例分析超高层住宅建筑结构设计工作，可以得出以下几点结论：①PMSAP和SATWE计算结果的比较表明了SATWE计算结果进行结构设计是基本可靠的；②采用合理的方法对部分楼层剪力进行了调整，能够有效确保工程抗震分析安全、可靠；③对剪力墙底部加强区采用中震设计，能够满足住宅建筑的抗震需要。

参考文献

高层建筑结构分析范文第5篇

关键词：高层建筑；抗震设计；梁刚度增大系数

我国高层建筑的结构材料一直以钢筋混凝土为主。随着设计思想的不断更新，结构体系日趋多样化，尤其是在抗震设防地区，如何准确地对这些复杂结构体系进行抗震分析以及抗震设计，已成为高层建筑研究领域的主要课题之一。近年来，许多科研和软件设计人员对高层建筑结构进行的大量的分析与研究，目前我国已有多种高层建筑结构分析设计软件。

但是，在建筑功能等要求复杂多样化的今天，工程设计中经常会遇到一些问题，如果简单地直接应用设计软件计算设计，可能会出现不必要的浪费，有的甚至造成工程事故，这就要求结构工程师不断积累经验，运用概念设计的原则，结合理论分析与试验数据对具体工程一些特殊问题具体分析、具体处理。

1 工程概况

某大厦地处市中心地段，为市标志性建筑。整个建筑由酒店、商场、公寓和会堂四部分组成，总建筑面积13.5万m2，分两期工程进行设计建造。一期工程xx酒店为xx大厦的主体建筑，由四星级高级宾馆及部分五层裙房组成，建筑面积为7.6万m2，地下两层、地上36层，建筑高度99.8m。五层以下为健身、娱乐、餐饮、购物等配套设施，面积较大， 6层主要为音乐茶室，7层为设备层，8-30层为宾馆客房，顶层设观景餐厅。

酒店主楼采用现浇钢筋混凝土内筒外框架结构体系，按7度抗震设防，建筑场地类别为II类，抗震设防类别为丙类，框架和剪力墙的抗震等级均按二级。

2高层建筑结构设计地震反应分析模型

此酒店工程为超限高层建筑，建筑高度为99.8m，结构形式为钢筋混凝土现浇内筒外框架结构体系。5层以下面积较大，其中地下1, 2层为设备用房，地上1-5层为健身、娱乐、餐饮、购物等配套设施。6-31层为标准层，其中7层为设备层，其余层为宾馆客房。顶层设观景餐厅。

针对该工程实际情况，经多方分析研究，在工程计算中采用了中国建筑科学研究院编制的“高层建筑结构分析程序TBSA”进行计算，采用清华大学建筑设计研究院编制的“空间结构通用设计系统TUS”和中国建筑科学研究院编制的进行复核验算。中国建筑科学研究院编制的“多层及高层建筑结构二维分析与设计软件TAT”采用二维空间模型，剪力墙采用薄壁柱单元模拟，梁、柱采用空间杆系单元模拟，可用于分析复杂体型结构，比较真实地反映结构的受力性能。对复杂体型结构可进行地震作用下的平动和扭转祸联分析，考虑竖向荷载、风荷载和地震荷载在不同工况下的内力组合。可模拟施工过程，进行竖向荷载作用下的施工模拟计算，解决一般程序中一次性加载时对柱子轴向变形估计过大而引起的误差问题，可真实地反映结构受力性能。该程序假定楼板在平面内为无限刚性的，平面外刚度为零，但对跨层柱等空旷结构可以定义弹性节点而不考虑楼板的作用。下面介绍的均为采用“多层及高层建筑结构二维分析与设计软件TAT”对新益酒店结构进行空间受力分析的计算过程及结果。图1为酒店空间有限元模型图。

图1酒店空间有限元模型图

3 初步设计阶段结构动力特性分析

进入初步设计阶段后，首先按方案阶段确定的结构布置进行计算分析。计算模型取自0.000至塔顶，假定楼板为平面内刚度无限大。采用“多层及高层建筑结构二维分析与设计软件TAT”计算的结构前15阶自振周期列于表1。

表1结构前15阶自振周期表/s

其中，T1=3.696s为Y方向平动周期;T2=2.636s为X方向平动与扭转祸联周期; T3=2.473s为X方向平动周期。X方向为结构平面的长轴方向，即纵向;Y方向为结构平面的短轴方向，即横向。

X方向(纵向)底层剪重比为1.816%，二层剪重比为1.887%;Y方向(横向)底层剪重比为1.538%，二层剪重比为1.600%。

从表1可以看出，结构X方向(纵向)自振周期及地震力基本正常，而结构Y方向(横向)自振周期偏长、结构刚度偏低，对应于水平地震作用的剪力较小(底层剪重比为1.53 8%

表2增加剪力墙后结构前15阶振型周期表/s

从表2计算结果不难看出，结构Y方向(横向)自振周期及结构刚度基本趋于正常，对应于水平地震作用的剪力加大(底层剪重比为1.602%> 1.6%)结构的抗震能力得到加强，整个建筑结构方案更加安全合理。

4框架层间剪力的调整

酒店是在2007年9月开始设计，而当时执行的《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91)中规定，对于框架承担的地震总剪力Vf

按《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》C JGJ3-91)的方法，TAT计算结果:0.2Qox=4079. 5 kN,1.5Vxmax=3818.9 kN;0.2Q0=3538.9 kN,1.5Vymax=5701.4 kN;程序自动地计算出了各层的框架剪力调整系数，并以此对全楼各层框架剪力进行调整。

通过分析，采用下列方法进行框架剪力调整:

(1)对5层以下按规范要求进行调整。根据TAT计算结果有: 0.2Qox=4079.5kN, 1.5Vxmax=3818.9kN; 0.2Qoy=3538.9 kN，1.5Vymax=5701.4 kN; X向基准数据为1.5Vxmax=3818.9kN,Y向基准数据为0.2Qo=3538.9 kN。

(2)对于6-31层采用人为干涉，首先计算第六层层间总剪力的0.2倍和6-31层各层框架部分承担的层间剪力最大值的1.5倍，然后取二者较小值作为剪力调整的标准，6-31层层间框架剪力小于此标准的按此标准调整，大于或等于此标准的按计算值。根据TAT计算结果对于6-31层有:0.2Q0x=3182.7kN, 1.5Vxmax =3034.7 kN; 0.2Qoy=2731.3 kN, 1.5Vymax =4583.6 kN; X 向基准数据为1.5Vxmax=3034.7 kN,Y向基准数据为0.2Qo=2731.3 kN。

(3)至于地下部分和32层以上部分则不进行剪力调整。

5 现浇楼面梁的刚度增大系数

在酒店结构分析计算中，针对上述问题，采用不同楼面梁刚度增大系数分别进行计算，对计算结果进行了认真的分析比较，最后采用了比较合理楼面梁刚度增大系数进行结构设计。