某高层建筑结构设计分析
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摘要：文章分别采用结构设计软件ETABS和SATWE对结构进行了弹性整体计算、弹性时程分析和楼板应力分析，通过对计算结果的分析，表明结构设计是安全可靠的。
关键词：超高层混凝土结构设计
Abstract: this paper respectively by means of structural design software ETABS SATWE and to structure the whole calculation, flexible elastic time history analysis and floor stress analysis, the numerical results of analysis, the results show that the structure design is safe and reliable.
Keywords: tall concrete structure design
中图分类号： TB482.2 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
该工程项目所在场地土的类型以中硬土为主，局部为中软土，建筑场地类别II类，平均剪切波速260．025m／s，覆盖层厚度约24m，没有发现活动断裂在本场地经过，在遭受基本烈度为VII度的对钢筋混凝土结构进行耐久性检测的内容应主要考虑结构的服役环境。处于沿海地区，受到氯盐腐蚀严重的建筑，需要重点检测的耐久性参数主要包括保护层厚度、裂缝缺陷钢筋锈蚀情况、地震作用时，场地没有砂土液化和软土震陷问题，为抗震有利地段，地下室基坑埋深为14．8～16．9m，桩基持力层为中风化岩，平均有效桩长约15m，主楼以及裙房的基础均采用人工挖孔灌注桩。
2结构设计策略
2．1结构体系选型
在结构初步设计阶段，曾采用钢筋混凝土核心筒+钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁结构体系，后来业主提出项目工期较为紧张，希望能在基本不调整目前建筑设计，并且造价增加较少的情况下，尽可能的缩短土建施工周期。根据业主的要求及本工程的结构特点，对以下三种可能的结构体系进行了比较，即钢筋混凝土核心筒+钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁结构体系 (以下称混凝土结构方案)、钢结构中心支撑+钢管混凝土柱+钢梁结构体系(以下称钢结构方案)、钢筋混凝土核心筒+钢管混凝土柱+钢梁结构体系(以下称混合结构方案)。
通过对以上三种结构方案进行整体计算，结果表明：(1)由于抗侧力构件的位置基本相同，各方案结构振动特性基本相同；(2)各结构方案的刚度有所变化，其中钢结构方案下降最大，混合结构方案次之，混凝土结构方案刚度最大；(3)由于钢结构较柔，钢结构的顺、横方向顶点最大加速度较难规范舒适度标准，混凝土方案和}昆合结构方案较容易满足舒适度要求； (4)结构总重量采用钢结构最轻，混合结构次之，混凝土结构最重，钢结构方案可节约基础造价。
考虑到项目的施工周期、结构造价和结构舒适度等综合因素，最后选定了钢筋混凝土核心筒+钢管混凝土柱+钢梁结构体系组成的混合结构体系为本项目的实施方案。
2．2结构设计策略
由于本工程所处地区的特点为：风荷载大、地震作用相对较小，因此提高结构的抗侧刚度是结构设计的关键。结构核心筒高宽比为19．3，筒体偏心布置，下侧简体布置于结构左侧，上部简体布置于结构右侧。为了减少由于简体偏心布置对结构产生的不利影响，纵向钢框架沿简体采用双柱两跨框架布置。为了提高框架结构的刚度，为整个结构体系发挥更大的效应，沿纵向采用多跨连接框架，框架梁与核心筒均采用刚接节点。并在设备层设置钢伸臂桁架协调外框架和核心简之问的变形，进一步发挥框架的作用。对于本塔楼采用的框架一核心筒结构体系，外框架体系将作为有效承重支撑，大部分竖向荷载通过轴力的方式向下传送。由于结构的层数较多，外框架柱承受很大的竖向荷载，为了减小框架柱的截面面积，以增加有效使用面积，因此考虑采用钢～混凝土组合结构柱。在组合结构柱的选型上，我们对型钢混凝土柱、钢管混凝土叠合柱和钢管混凝土柱进行了深入比较和论证。由于钢管混凝土柱具有刚度、强度均大、施工方便的优点，因此外框架柱采用了矩形钢管混凝土柱，且将矩形钢管混凝土柱的长边沿结构刚度弱的方向布置。
通过以上设计方法，成功满足了规范对结构的刚度要求，在设备层设置人字形伸臂桁架，使得设备管道可以顺利通过，很好的满足了业主对建筑的功能需求。
3结构整体弹性分析
3．1结构主要控制指标
表1给出了三种不同软件的计算结果，从表1的计算结果可见：ETABS：T1／Tt一0．66；SATWE：T1／Tt一0．63，均小于0．85，结构第一、第二周期基本为平动，满足《高层建筑混凝土结构技术规范》[3](以下简称《高规》)(JGJ3-2002)的要求。同时，两个分析软件的计算结果较为接近，从侧面反映出结构模型和分析的正确性。风荷载及小震作用下的结构反应计算是结构设计中的重要内容，表2给出了结构在风荷载及小震作用下结构最大的层间位移，可见，在风和地震作用下的层间位移角满足规范限值。
3．2弹性时程分析
采用4条地震波，两条为场地安评报告提供的场地人工波，两条为天然地震波。表3给出了位移的主要计算结果。表4给出了基底剪力计算结果。ETABS时程分析基底剪力最小值与反应谱基底剪力比：X向＝0．78；Y向＝0．79；ETABS时程分析基底剪力平均值与反应谱基底剪力比：X向＝0．89；Y向＝0．85；SATWE时程分析基底剪力最小值与反应谱基底剪力比：X向＝0．74；Y向＝0．85；SATWE时程分析基底剪力平均值与反应谱基底剪力比：X向=0．90；Y向＝0．92。
通过对结构的弹性时程分析结果可知：(1)每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于振型分解反应谱法的80，地震波的选择满足规范要求；(2)CQC法的层间剪力曲线基本能包络所选的四条地震波对应的平均层间剪力曲线，但在结构顶部少数楼层，CQC法的地震剪力偏小，说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，施工图设计将对顶部楼层的地震剪力进行调整，满足对时程分析法计算结果的内力包络。
3．3楼板应力分析
本工程由于建筑需要，局部楼层开大洞，已属于抗震规范的平面不规则范畴，此时平面无限刚的假定已经不适用，为分析这些洞口对结构整体工作和局部构件内力的影响，采用ETABS软件对此进行分析比较。比较模型为以下两个模型： (1)刚性楼盖模型(模型一)，采用平面无限刚假定；(2)弹性楼盖模型(模型二)，开洞楼层楼板采用shell单元，其他楼层采用membrane单元，无强制刚性板。
以上两个模型计算获得结构前六阶自振周期和地震基地剪力的对比分析结果，可见虽然某些楼层设置面积较大的洞口在一定程度上削弱了楼板平面内刚度，但对结构自身动力特性的影响较小，结构整体分析可不考虑开洞的影响，采用楼板平面内刚度无限大这一假定对总体的计算结果如结构周期、振型、基底剪力等影响不大。同时对楼板开洞处周围结构构件在地震力作用下的内力也进行了分析，楼板开洞对框架柱的剪力有影响，原因在于：楼面在自身平面内的变形会使刚度较小的抗侧力结构所分配的水平力增大，设计时应按弹性楼盖计算出构件内力，真实的考虑楼板变形对构件内力的影响。
本工程在5层存在局部转换，31层为加强层、3层、32M层以上各层楼板均开有不同大小的洞口，为研究这些楼层在水平力作用下楼板是否能可靠传力，取典型楼层进行楼板在地震力作用下的应力分析，计算模型采用模型二(弹性楼盖模型)。
4 结语
本工程由于存在高度、扭转不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则超限内容，根据工程项目的特点，选择了最合理的结构体系，设计时采用ETABS和SATWE软件对结构进行了整体弹性分析和弹性时程分析，对楼板局部开洞的影响进行深入分析，根据分析结果对相应的结构部位进行加强，通过对结构进行全面而细致的计算分析和比较，证明结构设计成功解决了结构超限问题，结构设计是安全可靠的。
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