PKPM中高层建筑结构设计探讨

　　【关键词】高层建筑；结构设计；PKPM使用；设计参数

　　

　　1 引言

　　随着高层建筑的不断发展以及建筑内部的复杂性，给高层建筑结构设计带来更大难度。从近期高层建筑发展情况表明，高层建筑规模已经越来越大，而且建筑复杂性日益增大。如何设计出经济合理可靠的高层建筑结构，是设计人员要面对的问题。在采用PKPM时掌握高层建筑结构设计要点，正确合理地处理结构设计时所出现的问题，是结构设计人员所需具备的要求。本文将将结合笔者从事高层建筑结构设计实践经验以及工程实例，探讨采用PKPM进行高层建筑结构设计时应考虑的问题，以及提出有效提高高层建筑结构水平的相应处理措施。

　　2 工程实例

　　本工程为清溪商会大厦工程，商会大厦为集大型商场、高端住宅为一体的综合性建筑，由上部的两座住宅和底部三层商业裙楼组合而成。地下一层为设备机房及停车库，1~3层为大型商场，4层为结构转换层兼上部住宅的架空休闲空间，5~20层主要为中型户型住宅，21~22层为大户型住宅。总用地9550.612平方米。总建筑面积为49817.542平方米（含地下室5464.239平方米），建筑总高度75。5米。本工程为一类高层建筑，耐火等级为一级，按六度抗震设计。其地上二十二层，地下一层，在地下一层为平时地下汽车库，战时六级人防地下室。

　　3 结构体系选取

　　选取结构体系是每个结构设计人员从事建筑结构设计时首要的任务，结构体系的选取关系到结构总体造价是否再经济、受力是否最合理。在选取结构体系时必须针对所设计的建筑实际情况进行评估分析，只有正确选取结构体系才能设计出经济合理的结构。目前高层建筑多采用钢筋混凝土结构，其结构体系主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等。对于高层建筑来说主要以剪力墙结构和框架剪力墙结构采用较多，对于低层建筑则多采用框架结构。

　　3.1 框架剪力墙结构体系

　　框架剪力墙结构是由框架和剪力墙组合而成的结构体系，其结构体系中以剪力墙作为主要抗侧力构建，而承受绝大部分水平荷载；而框架部门则主要承受竖向荷载。框架剪力墙结构中框架和剪力墙两者共同受力，合理分工。而剪力墙布置应均匀设置在建筑物的周边、电梯间、平面形状变化较大和竖向荷载较大等部位。由于该结构以框架结构为主，剪力墙为辅助，这种结构体系适用于25层以下的建筑，最高不宜大于30层。本工程为商会大厦，该高层建筑为集大型商场、高端住宅为一体的综合性建筑，由上部的两座住宅和底部三层商业裙楼组合而成。该高层建筑其地上二十二层，地下一层，在地下一层为平时地下汽车库。由于住宅、商场、商业配套用房、管理用房、车库、设备用房等均要求独立管理，设计在满足消防规范的前提下尽可能避免内部交通的互相干扰。因此选取该建筑结构体系时，选取框架剪力墙结构体系，住宅垂直交通使用核心筒，核心筒内设置三部客梯，一组剪刀楼梯，其中一部客梯兼作消防电梯，每层均设停站层，其余两部客梯仅在一层、四至二十二层设停站层。

　　3.2 剪力墙结构体系

　　剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，剪力墙作为竖向承重和抵抗侧力的结构，全部承受结构的竖向和水平力。这种结构体系通常采用平面布置形式，由于剪力墙受竖向荷载和水平荷载共同作用，剪力墙应双向或多向布置。同时由于该结构全部由剪力墙组成，其刚度要比框架剪力墙结构更好，该结构体系常用于40层以下的高层住宅建筑等，而且该结构高宽比不宜大于6，其高度也应考虑抗震要求。

　　4 计算简图的处理

　　对一栋高层建筑来说，进行其结构设计时对其进行结构简化是相当有必要的，而且计算简图的合理有效性相当重要，是确保该结构计算分析有效性的基础。笔者将结合本工程结构设计探讨其计算见图的处理。

　　对于无地下室的结构来说，基础埋深较深时，为了加强底层的整体性，可以在 0.00m附近设置基础连系梁。由于基础连系梁的设计仅为构造设计，无法平衡底部柱脚的弯矩，其不可作为上部结构的嵌固部分，对于底层计算高度H应是取基础顶面至连系梁顶面的高度，即把基础连梁以下的部分作为计算简图的底层，而把实际建筑的底层作为计算简图第二层，层高取用连梁顶面标高至一层楼面标高距离。值得注意时，这种情况下底层柱的配筋应取用基础连系梁顶面和基础顶面中较大内力设计值进行计算。

　　对于带有地下室的结构来说，计算简图中合理确定上部结构的嵌固位置是非常关键的，这需要结合工程实际情况来分析。例如采用箱型基础的地下室结构，可以把地下室顶板作为框架上部结构的嵌固位置。在利用PKPM进行设计时，楼层总数仅输入地下室以上的实际层数，底层的实际层高就是层高H。这样设计的地震作用和实际情况较为接近，但竖向荷载只计算到底层的柱底处。当地下结构是采用的筏板基础，嵌固位置最好取在基础顶面。在利用电算时，总层数应为实际的楼层数加上地下室的层数。经设计实践验证采用这种方法计算简图经整体计算后，地震作用相对保守，结构设计比较安全。

　　5 高层建筑结构计算参数的选取与调整

　　5.1 地震力的振型组合数

　　对高层建筑地震力的振型组合数，当不考虑扭转耦联计算时，至少应取3，当振型系数多于3时，宜取3的倍数，但不应多于房屋的层数《建筑抗震设计规范》指出，合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。SATWE已有这种功能，可以很方便地输出这种参与质量的比值。此外，由于耦合计算的地震剪力通常小于非耦合计算，仅结构存在明显扭转时才采用耦合计算，但在必要时应补充非耦合计算。

　　5.2 梁刚度放大系数

　　在利用PKPM系列软件中，TAT或SATWE计算软件的梁输入模型都是矩形截面，没有考虑存在楼板形成T型截面而引起的梁刚度增加，造成结构的实际刚度大于计算刚度，算出的地震作用剪力偏小，使结构不安全。因此计算时应将梁刚度放大，放大系数边梁取1.5、中梁取2.0为宜。

　　5.3 框架结构活荷载的最不利布置、组合

　　当该结构活荷载较大时，是否进行活荷载的最不利布置、组合对计算结果的影响非常大。使程序给定的梁设计弯矩放大系数，也不一定能反映出工程实际应力分布的情况，有可能造成结构不安全或保守。而且由于PKPM中无法区分荷载规范表4.1.1中第1（1）项与第1（2）～12项，根本就很难实现“荷载规范”区分不同荷载种类采用不同的楼面荷载折减系数的要求。因此，结构计算时应考虑区分不同构件进行分步计算，并在荷载输入时将楼面活荷载折减。

　　5.4 参数调整

　　对于高层建筑来说，各参数的控制将直接影响结构的安全性与合理性。合理调整参数有助于提高结构整体控制的效率，同时使结构设计更加安全、经济合理。

　　5.4.1 轴压比：限制结构的轴压比，以保证结构的延性要求。当不满足规范要求时可以通过增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度的办法调整。