对基于水平荷载控制的复杂体型高层建筑结构设计

夏爱华

摘要：以实际工程案例为研究对象，详细阐述了该工程中水平荷载控制设计的相关内容，并对其建筑结构设计思路与方法进行了分析。从仿真结果来看，该工程中所采用的建筑结构设计满足水平荷载控制要求，具有可行性。

关键词：水平荷载、复杂体型高层建筑、建筑结构设计

随着复杂体型的高层建筑、超高层建筑越来越常见，建筑物的水平荷载控制问题已经得到越来越多人的关注。现代研究认为，高层建筑结构中所承受的水平荷载主要包括水平地震作用、风载作用等，这些作用力都会以水平荷载的形式存在，对建筑物的整体稳定性产生影响，所以应该得到设计人员的重视。

一、工程案例简介

某高层建筑的占地面积为6336㎡，总建筑物面积为15187㎡，分为主楼与裙楼两个结构，其中有地上20层，地下2层。其中地上20层建筑中，1-5层的高度为4.5m，作为商业用楼;第6-20层高度为3m，为普通住宅。地下1层为停车场，地下2层为发电机房、空调机房等，地下1层、2层的高度均为3.5m。

二、对该建筑物的水平荷载分析

（一）水平地震作用

在水平地震作用的影响下，建筑物的框架-剪力墙结构体系将会发生变化，这个变化过程的解释为：剪力墙作为一种竖向悬臂弯曲结构，其变形曲线为悬臂梁型，随着高度的增加，其扰度变化越明显[1]。同时，框架-剪力墙结构在建筑物中可以看做是一个结构单元，不仅包含框架，也含有剪力墙，这两者依靠平面内的刚度与楼板连接在一起，避免了变形发生。但是在水平地震作用的影响下，框架-剪力墙不可避免的会出现变形问题，但是这种变形与正常结构的变形相比具有特殊性，是一种反S型曲线。

（二）风载作用

风载作用对高层建筑物的稳定性产生直接影响，尤其是在建筑物高度增加的情况下，建筑物结构对风载的敏感性会显著增加。为了可以进一步了解该建筑物的风载作用特征，采用风振总响应模型来进行分析，其模型为：

从这一数据模型可以发现，在该建筑物的风载作用分析中，对于风载作用的识别不是单一的，建筑物所产生的风载振动也是在多因素共同作用下出现的。

三、建筑物结构设计

在该工程中，从风载作用、水平地震作用两个角度，对水平荷载问题进行了分析研究，并制定了一系列建筑物结构设计方案，主要内容包括：

（一）基本设计思路

本工程中，当地50年重现期的风压值为0.5kN/m2;抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。根据地质报告显示，建筑物距离地下15m的位置为淤泥，是软弱地质。

（二）结构选型与布置

在该工程中，考虑到施工场地地下为软弱地质，为了可以增加结构水平刚度，设计选型时决定建筑物的主体采用框架-剪力墙结构，其中剪力墙设置在主楼的中心位置，通过这种设计方法可以显著提高建筑物主要结构的稳定性。在主楼与裙楼的基础设计时，考虑到本地区的地下水位较高且上部建筑物的重量差异较大，因此基础采用了厚板桩筏的设计方案，并在主楼与裙楼之间留沉降后浇带，待主楼施工结束且沉降基本稳定后，再将两者封闭连接为整体。

（三）荷载分析

1、地震荷载

该建筑的框架、剪力墙抗震等级均为二级，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，必须对其进行地震作用计算。同时实践发现，在两个不同方向的地震作用影响下，结构质量与刚度的分布存在明显不对称的现象，所以在地震荷载问题的分析中，需要将不同方向下的水平地震作用扭转计入到地震荷载中。

2、风荷载

在该工程设计时，充分考虑了风荷载对建筑物结构稳定性的影响，基本风压按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，结合当地的实际情况。在承载力设计时，取基本风压值为0.55KN/㎡进行设计，基本风压值的调整系数为1.1;根据设计的建筑物结构特征，确定结构整体坐标与风力作用下的方向夹角为49.99°。

3、均布活荷载

在该工程中，均布活荷载的相关资料如表1所示：

（四）建筑结构的设计计算

为了保证数据分析结果的准确性，采用中国建筑科学院的PKPM软件进行结构设计计算，通过构建结构模型，采用高层建筑物结构三维分析软件进行计算;在基础运算中，采用CAD软件确定底板基础等关键部位参数[2]。

结合该工程的实际情况，考虑到建筑物的地基为软弱土，因此对整体结构的嵌固作用不明显，所以在结构计算时，取地下一层地面作为结构嵌固端。依靠该模型，依靠信息系统程序来对施工过程进行模擬，并评估不同工况下的水平荷载变化情况，根据模拟结果，在柱、墙水平荷载计算中，采用人机交互控制的方法，逐层修正活载折减系数，并根据折减系数的变化结果来调整柱、墙的参数数据。在该建筑中，考虑到柱的横截面尺寸较大，会导致柱端弯矩持续向中心靠拢，导致受力承受上限要略高于正常值。因此在结构设计时，考虑采用控制梁端弯矩的方法，保证修正后的梁端弯矩为原来数据的2/3左右，这样就可以取得理想的效果。

（五）结果仿真

按照上述方法，随机选择三个自振周期来对建筑物结构稳定性问题进行分析对比，所得到的仿真结果如表2所示：

根据表2所提供的仿真结果可以发现，在三个自振周期中，该建筑物在结构的X轴方向与Y轴方向上的数据变化不明显。这一结果证明，该建筑物的水平刚度性能良好，设计满足规范标准要求。

四、结语：

该工程在复杂体型高层建筑物结构设计时，根据水平荷载的特征，对关键结构的参数进行了优化，并且通过最终仿真结果证明，这种优化是科学有效的。做为设计人员，在复杂体型高层建筑结构设计时，应充分重视水平荷载控制的影响，这样才能设计出安全性更高，使用更舒适的建筑。

参考文献：

[1]徐培福，傅学怡.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[2]丁洁民，吴宏磊.我国高度250m以上超高层建筑结构现状与分析进展[J].建筑结构学报，2017（03）：76-80.