万科时代广场项目3#结构设计简析 高层结构设计课程报告

1、高层结构设计课程报告万科时代广场项目3#结构设计简析摘要改革开放以来，我国社会主义市场经济突飞猛进，社会逐渐工业化，高层建筑建设行业不断发展,同时对高层建筑结构设计质量要求越来越高。高层建筑是我国建筑行业的发展趋势,高层建筑结构设计质量直接影响到我国整个建筑行业可持续发展。我国不同领域对高层建筑有不同定义，在土木工程领域，我国高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定1：10层及10层以上或房屋高度超过28m的钢筋混凝土结构民用建筑物称为高层建筑。本文作为高层建筑结构设计的课程报告，笔者针对万科时代广场项目3#楼高层进行了分析，该建筑高度为52.3m，采用框架剪力墙结构为抗侧力体系。

2、首先对其进行了竖向不规则性和平面不规则性进行了超限分析；其次，根据地基情况对开挖基坑进行了较为详细的设计和分析；再对其主要结构进行了分析计算；最后通过该项目的分析，得出高层设计的要点和心得体会，同时为今后的继续学习和实践提供经验。项目概况万科时代广场项目位于江西南昌红谷滩庐山南大道与凤凰北大道北侧交汇处，总占地约万，总建筑面积约39万，住宅建筑面积2m2，商业建筑面积181m2，配套设施建筑面积10931m2，车库及设备用房建筑面积m2，总绿地面积24561.75 m2。拟建项目容积率为0，建筑密度27.98%，绿化率30.12%，如图1所示。图1 万科时代广场项目鸟瞰图3#楼位于江西南昌万科

3、时代广场项目地块西侧，为高层住宅，地上16层, 地下2层，总高度，A级高度设计，基础顶部为嵌固端。本建筑结构安全等级为二级 .本建筑为部分框架剪力墙结构，楼板采用压型钢板与钢筋混凝土组合楼板。设计使用年限50年，如图2所示。图2 3#楼透视图江西南昌地震基本烈度为6度，建筑设防类别为标准设防类（丙类），设防烈度为6度。设计地震加速度值，设计地震分组第一组，建筑场地类别类，特征周期。地面粗糙度为B类，基本风压取值如下：承载能力极限状态计算取5KN/m2，风荷载作用下，结构水平位移计算取5KN/m2，舒适度计算取0.3KN/m2。地下工程防水等级：二级；地下室抗浮设计水位：地下室在地面以上，不存在

4、抗浮问题；地基基础设计等级：甲级。表1 建筑结构形式及抗震等级楼编号结构类型结构抗震等级建筑抗震设防类别底部加强部位剪力墙非底部加强部位剪力墙框支框架框 架住宅框架剪力墙不抗震不抗震/不抗震丙类商业及其他框架/不抗震丙类纯地下室框架不抗震丙类混凝土强度等级：（1）地下部分表2 地下部分混凝土强度等级栋 号层 次外墙承台框架柱砼隔墙梁板地下室底板C30（P6）C30（P6）C30C30C30（P6）-顶板-C30，与覆土接触部位P6（2）地上部分表3 地上部分混凝土强度等级栋 号框支柱框支梁框架柱剪力墙梁板C45,C40,C30C30钢筋(1)同一个结构构件中的同一名称的钢筋级别必须相同，如：某

5、一根梁的箍筋；某一剪力墙约束边缘构件（有端柱）的箍筋等。(2)钢筋级别：HRB400级（6）钢材：采用Q235-BF（热轧普通型钢）。焊条：E43系列用于焊接HPB300钢筋、Q235-BF、热轧普通型钢；E50系列用于焊接HRB335钢筋；E55系列用于焊接HRB400钢筋。不同材质时，焊条与低强度等级材质匹配。 填充墙：本工程砌体填充墙的砌块，一般采用蒸压加气混凝土砌块，其强度等级为，容重KNm3，砌块砂浆为M5.0水泥混合砂浆；地坪以下与土壤接触的砌块，采用水泥灰砂砌块，其强度等级为，其容重KNm3，砌块砂浆为M5.0水泥砂浆。结构设计方案万科时代广场结构设计基准期为50年，设计使用年限

6、为50年。钢结构安全等级为二级。三层抗震设防分类为丙类建筑。抗震设防烈度为6度。设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g。场地类别为二类，场地特征周期为0.35s。选择合理的抗侧力体系是保证复杂高层建筑结构安全性的基础，根据以往的经验习惯2，根据结构高度选用的抗侧力体系如表4所示。表4 建筑不同高度对应结构抗侧力体系建筑物高度/m常用结构抗侧力体系100框架、框架-剪力墙、剪力墙100-200剪力墙、框架-核心筒200-300框架-核心筒、框架-核心筒-伸臂300-400框架-核心筒-伸臂、筒中筒400-600筒中筒-伸臂、巨型框架/巨型桁架/巨型斜撑、组合体为提高整体抗侧力刚度控

7、制位移，采用框架剪力墙结构，3#楼结构平面图如图3所示。图3 3#结构平面图楼（屋）盖结构形式地下室采用单向梁系，会议厅等大跨区域采用单向密肋梁系，地库顶板采用双向梁系。3.3结构布置及荷载框架结构易于形成较大的自由灵活的使用空间，以满足不同的建筑功能的要求，剪力墙则可以提供较大的抗侧刚度，以减小结构在风荷载下或在侧向地震作用下的侧向位移，有利于提高结构的抗震能力3。因此，框架剪力墙结构具有很广泛的适用范围，在办公楼，旅馆等公共建筑中得到了广泛的应用。在框架剪力墙结构中，框架和剪力墙同时承受竖向荷载和侧向力。在竖向荷载作用下，框架和剪力墙分别承担起受荷范围内的竖向力，受荷范围的确定与与楼盖结构

8、的布置有关。在侧向力作用下，框架和剪力墙协同工作，共同抵抗侧力，由于框架在侧向力作用下呈剪切型变形，底层比上次的层间位移大，而剪力墙可以简化为一根悬臂梁，呈弯曲型变形，在框架剪力墙结构中，由于变形协同作用，呈弯剪型变形，而且，框架和剪力墙对整个结构侧移曲线的影响，沿着结构的高度是变化的。在结构底部，框架结构的层间位移大，剪力墙的层间位移小，剪力墙发挥了较大的作用，框架结构的变形受到剪力墙结构的制约。而在结构的顶部，框架结构的层间位移小，剪力墙的层间位移大，剪力墙受到框架结构的扶持作用，而且必须注意，上述框架和剪力墙的相互作用是借助于楼盖结构平面内的剪力实现，因此楼屋盖结构的整体性和在平面内的刚

9、度必须得到保证。3.4.1框架剪力墙结构布置如上说述，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现弯剪型。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。在此类高层结构设计中，框架剪力墙形式较为普遍。在框架结构中加设适量的剪力墙，二者通过楼盖协同工作，以满足建筑物的抗侧要求，从而组成框架剪力墙结构体系。它的结构布置方式灵活，在对建筑物的使用功能影响不大的情况下，使

10、结构的抗侧刚度和承载力都有明显提高，所以这种结构体系兼具框架和剪力墙结构的优点。并且剪力墙设置宜贯通建筑物全高，沿高度强的厚度要逐渐减薄，避免刚度突变。根据建筑设计的要求4，合理布置平面是至关重要的。框架剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系。两主轴方向都要布置剪力墙，梁与墙或柱与墙的中线重合。框架的梁与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。同时剪力墙均匀、对称、分散。剪力墙对称的布置在建筑物的周边附近，楼电梯间，平面形状变化以及恒载较大的部位设置剪力墙。平面形状凹凸较大时，宜在突出部分的端部附近设置剪力墙。剪力墙应尽量周边带梁柱带暗柱。楼梯间竖井等造成连续楼层开动，宜在洞边设置剪力墙。同时进行梁

11、柱的布置。.2 结构平面荷载的输入PKPM作为现今结构设计中使用最为广泛的软件，提供了较为友好的以及简洁的荷载输入方式5。恒荷载计算：卧室、客厅等50mm厚建筑做法110mm厚混凝土楼板吊顶、抹灰恒荷载 4.45 kN/m2活荷载 kN/m2卫生间5厚防滑铺地砖，稀水泥浆擦缝20厚1:4干硬性水泥砂浆结合层50厚最高处细石混凝土从门口处向地漏找泛水，最低处不少于30厚20厚1:3水泥砂浆找平层130厚混凝土楼板 0.13X25=3.25 恒荷载 kN/m2活荷载 2.5 kN/m2根据建筑结构荷载规范GB50009-20126参考楼屋面荷载，活荷载住宅 kN/m2，疏散楼梯 kN/m2，不上人

12、屋面 kN/m2等数据。3.5电算主要参数表5 主要计算参数计算参数信息结构材料信息:钢砼结构水平力的夹角 (Rad):=60m时），1.0（高度60m时）用于舒适度计算的基本风压用于舒适度演算的结构阻尼比（%）2体形变化分段数:MPART= 1（出屋面层区分）各段体形系数:USi = 1.30是否考虑双向地震扭转效应:是X向相对偶然偏心Y向相对偶然偏心计算振型数:NMODE=至少15(根据有效质量系数调整)活荷载重力荷载代表值组合系数周期折减系数周期折减系数：框架剪力墙结构取0.8;剪力墙结构取0.9;框架结构取0.7;结构阻尼比（%）5梁端负弯矩调幅系数梁活荷载内力放大系数1梁扭矩折减系数

13、托墙梁刚度放大系数1实配钢筋超配系数连梁刚度折减系数梁刚度放大系数按2010规范取值不选梁刚度放大系数:中梁框架1.5，框剪1.8，剪力墙2.0（主要是根据板厚与梁截面的比值取值，梁越高值越小）部分框支剪力墙结构底部加强区剪力墙抗震等级自动提高一级不选调整与框支柱相连的梁内力不选全楼地震放大系数1.01.1（考虑为坡地建筑，具体看地质报告）塔楼地震作用起算号顶层机房塔楼放大系数0.2V0分段调整 分段数0设计信息:结构重要性系数:梁保护层厚度 (mm):BCB = 20.00柱保护层厚度 (mm):ACA = 20.00钢构件截面净毛面积比:4地基基础及基坑支护万科时代广场项目深基坑支护形式为

14、基坑周边的围护结构为两墙合一的地下连续墙。支撑体系采用钢筋混凝土内支撑，内支撑为双圆环支撑结合中部对称的布置形式，支撑立柱采用钻孔灌注桩内插钢格构柱的形式。本工程对安全性、环境影响及技术经济要求高，与主题结构设计施工的关系紧密，是采用信息化施工的集岩土工程和结构工程为一体的系统性工程。万科时代广场项目深基坑工程具有以下特点：，南北长约150-160m、东西宽约190m，基坑大部分区域深-9.6m，最深处达-12.1m，基坑处于城市中心，紧邻河海、地下水位高。（2）采用地下连续墙，具有对周围环境影响小、防渗性好、抗弯强度大和整体性好等优点，施工后作为地下结构的外墙，具有较好的综合效益。地基基础万

15、科时代广场项目地基土的岩性分层、室内渗透试验结构如下表所示，场地标高-44.000m以上水文地质岩组可划分为1个潜水含水岩组和两个承压含水层，地基土的渗透性如下表所示。由华东建筑设计研究院地基所进行坑基方案的设计。表6 万科时代广场项目地基土的岩性分层、室内渗透试验结果力学分层号岩性标高（m）垂直渗透系数Kv()水平渗透系数Kh()渗透性含水岩组1b素填土人工填土及坑底淤泥底界-1.1000微透水潜水含水层3a黏土为主人工填土及坑底淤泥底界-1.1000不透水3b粉质黏土人工填土及坑底淤泥底界-1.1000微透水4粉质黏土-1.1000-3.6000微透水5粉质黏土-3.600-6.000不透

16、水相对隔水层6粉质黏土-6.000-8.8000微透水7a粉土-6.000-8.8000弱透水承压水含水层7b粉质黏土-6.000-8.8000不透水7c粉土-8.800-000弱透水8a粉质黏土不透水8b粉土弱透水8c粉质黏土不透水相对隔水层图5 项目基坑支护处理平面图 如图5所示，基坑及环境边坡处理平面图，根据建筑方案，按设计标高整平后，场地四周将形成高0.2-13.6m的环境边坡，按地下室轮廓线挖开后，将在四周形成高约0-9.4m的基坑边坡。根据场地四周关系，均有放坡条件，因此采取土层1：1.75的坡率法进行回填或开挖，配合排水及表面封闭处理措施。5主要计算分析5.1 框架柱倾覆弯矩以及

17、0.2V0调整系数框架剪力墙结构中框架柱倾覆弯矩控制以及计算根据抗规7以及高规8规定，框架剪力墙结构在规定的水平地震作用下，若框架部分承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50%，框架部分的抗震等级应按框架结构确定，柱轴压比限制宜按框架结构采用。本工程文件9见表1数据，框架部分承担的地震倾覆力矩小于总地震倾覆力矩的50%，计算符合要求。表7 框架柱地震倾覆弯矩百分比倾覆弯矩百分比X向地震20.34%Y向地震34.74% 0.2V0调整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。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理

18、论计算筒体结构提供了条件。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。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。电脑计算中采用了楼板平面刚度无限大的假定，即认为楼板在自身平面内是不变形的。但是，在框架剪力墙结构中，作为主要侧向支撑的剪力墙间距相当大，实际上楼板是会变形的，变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移。显然，直接按照计算的剪力进行配筋是不安全的，必须做出适当的调整，使框架具有足够的抗震能力，使框架成为框架剪力墙结构的第二道防线。在地震作用下，通常都是剪力墙先开裂，剪力墙刚度降低后，框架内力会增加。因此，

19、抗规条规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架剪力墙结构，任一层框架部分的承担的剪力值，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架剪力墙结构分析的框架部分各楼层地震剪力最大值倍二者的较小值。图6 弯矩包络图（kN.m）图7 轴力包络图（kN）图8 剪力包络图（kN）5.3周期比周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，其目的是使抗侧力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效应，减小扭转对结构产生的不利影响。本工程结构之前的初步模型即出现了周期比不满足要求的情况，经过调整，加强了外围墙的刚度，适当削弱了结构中间墙的刚度。本工程文件中自振周期结果见表2。高规中规定，结构

20、扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9,B级高度的高层建筑、超过A级高度的混合结构及高规第十章所指的复杂高层建筑不应大于。表8 各振型特征参数振型号周期转角平动系数 (X+Y) 扭转系数1（）2（）3（）4（）5（）6（）7（）Y由表中数据可知：周期比Tt/T1=/1.6844=0.7870.9,满足规范要求。5.4位移比主要为限制结构平面布置的不规则形，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。见抗规条。本工程结构显示，最大层间位移角X方向最大值层间位移角为1/3025，满足高规条最大层间位移角小于等于1/800的规定；最大位移与层

21、平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值：X方向最大位移与层平均位移的比值，X方向最大层间位移与平均层间位移的比值；Y方向最大位移与层平均位移的比值，Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值。虽然都大于1.2,但是还是没有超出规范规定的1.5,还是符合规范的规定的。5.5剪重比主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。本工程平面以及属相都比较规则，在SATWE中设计选取了15个振型进行计算，在结果文件中查看X,Y向有效质量系数及楼层最小剪重比如下： X向楼层最小剪重比=0.80%，X 方向的有效质量系数: 92.81%； Y向楼层最小剪重比 = 0.80%，Y方向的有

22、效质量系数: 94.20%。均满足抗震规范(5.2.5)条要求(规范规定振型数不应小于15,且计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%)。6度区基本周期大于的最小剪重比为0.006,显然满足要求5.6刚度比主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。各层钢芯、偏心率以及相邻层侧翼刚度比等计算信息满足规范的要求。5.7受剪承载力比以及刚重比受剪承载力比主要是限制结构竖向布置的不规则性，避免楼层抗侧力结构的受剪承载力沿竖向突变，形成薄弱层。刚重比是控制在风荷载或者水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，避免结构失稳倒塌。本例的以上数据均满足规范要求。结

23、构整体验算结果：X向刚重比， Y向刚重比8.83 该结构刚重比大于，能够通过高规的整体稳定验算。该结构刚重比大于2.7,可以不考虑重力二阶效应。为了使得高层建筑结构在水平和竖向荷载作用下，其他地基压应力不致于过于集中，对基础地面压应力较小的一段的应力状态作了限制。本工程WMASS.OUT 结构见表3。表9 抗倾覆验算结果抗倾覆力矩Mr倾覆力矩Mov比值Mr/Mov零应力区(%)X风荷载Y风荷载X 地震Y 地震5.8轴压比表10 轴压比限值抗震等级轴压比（最大值）备注框架结构框架柱框剪结构框架柱剪力墙高度不抗震-对于剪力墙以墙体计算主要为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，规范对墙肢和柱均有相

24、应限值要求。本工程的轴压比均满足规范要求。PKPM中SATWE部分计算结果输出可以选择图形文件以及文字结果输出。现选取部分计算结果附在此处。图9 x、y方向反应力曲线6结构抗震设计及特殊部位构造措施钢筋混凝土框架房屋是我国工业与民用建筑较常用的结构形式。震害调查表明，框架结构震害的严重部位多发生在框架梁柱节点和填充墙处9。一般是柱的震害重于梁，柱顶的震害重于柱底、角柱的震害重于内柱、短柱的震害重于一般柱，为此采取了一系列措施。把框架设计成延性框架，遵守强柱、强节点、强锚固，避免短柱、加强角柱，框架沿高度不宜突变，避免出现薄弱层，控制最小配筋率，限制配筋最小直径。构造上采取受力筋锚固适当加长，节

25、点处箍筋适当加密等措施10。因此，采取如下措施：1）设置钢筋混凝土构件柱，减少墙身的破坏，并改善其抗震性能，提高延性;2）设置钢筋混凝土圈梁与构造柱连接起来，增强了房屋的整体性，改善了房屋的抗震性能，提高了抗震能力;3）加强墙体的连接，楼板和梁应有足够的长度和可靠连接。平面布置多层砖石房屋墙体的布置应当均匀，上下层墙体对齐，墙上门窗洞口大小尽量一致，窗间墙应等宽均匀分布。在房屋的一个独立单元内宜采用相同的结构和墙体材料。平面上尽量避免凹进凸出的墙体，若为L形或形平面时，应使转角或交叉部分的墙体拉通，如侧翼伸出较长(超过房屋宽度)，则应以防震缝分割成独立的单元;4）加强楼梯间的整体性。立面与体形

26、立面体型复杂、屋顶局部突出物比平面不规则对地震更敏感，所以应不做或少做地震时易倒、易脱落的门脸、装饰物、女儿墙、挑檐等。如必须设置时，应采取措施在变截面处加强连接；建筑物的立面、体型应力求简单，注意减轻建筑物自重，降低重心位置;5) 设置必要的防震缝。防震缝当设计烈度为八度和九度并遇有下列情况之一吼宜设防震缝将房屋分成若干体形简单、结构刚度均匀的独立单元； 1房屋立面高差在6m以上； 2房屋有错层，且楼板高差较大； 3各部分结构刚度截然不同。防震缝应沿房屋全高设置，其两侧应布置墙，基础也可不设防震缝。防震缝的宽度应根据房屋高度和设计烈度的不同，一般取57cm)。防震缝可以和沉降缝、伸缩缝统一考

27、虑。不论什么结构形式，防震缝可以将不规则的建筑物分割成几个规则的结构单元，每个单元在地震作用下受力明确、合理11，避免产生扭转或应力集中的薄弱部位，有利于抗震。 图10 大跨屋盖楼面示意图本项目存在大跨屋盖结构，比较典型的为：3#楼会议厅楼面，跨度约为17.8m，采用单向密勒梁系结构，梁截面，柱截面，结构计算时严格控制大跨梁的挠度和承载力。7结论和体会7.1高层建筑的设计特点一方面，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

28、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。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。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下进行变形验算显得尤为重要。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

29、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。7.2本例所学计算机的发展提高了结构设计效率和计算精度。现阶段国内设计常常采用SATWE等一体化设计程序，设计人员应用时只需要简单输入平面、荷载、计算参数就能得到配筋结果。那结构设计人员在设计的过程中随着科技发展，是不是技术含量降低了?笔者认为，对于一个优秀的结构工程师，需要对程序的基本理论、基本假定、应用范围和限制条件。正确的建立模型和分析计算结果是非常重要的，这个过程中，对结构工程师的理论基础有要求，更需要丰富的工程经验。本例主要以江西南昌万科时代广场框架剪力墙结构为实例，通过探讨高层框架剪力墙结构设计主要控制点在PKPM中的应用以及SATWE输出结果进行分析。在这个过程中，我进一步认识了高层框架剪力墙结构设计中相关的控制点：刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数以及其调整过程中彼此相互关联且会随着设计构件截面、刚度以及平面位置的改变而改变；当然我们还应根据规范及具体实