十二层框架剪力墙结构高层办公写字楼结构设计可行性研究报告.docx

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十二层框架剪力墙结构高层办公写字楼结构设计可行性研究报告

十二层框架－剪力墙结构高层办公写字楼结构设计可行性研究报告

摘要

在抗震结构设计中，设计双重抗侧力体系可以实现多道设防，是安全可靠的抗震结构体系。

本文以某十二层框架－剪力墙结构高层办公楼结构设计为例，全面阐述了高层框架－剪力墙结构双重抗侧力体系的受力和变形性能，从抗震概念设计和抗震性能设计的角度，提出了延性设计、超静定结构和可以实现多道设防的结构，是抗震结构设计的基本要求，论述了框架－剪力墙结构中剪力墙布置的原则和抗震构造要求，并从安全和经济角度，提出了在框架－剪力墙结构体系中，一般宜满足规范要求的底层框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的10%~50%。

关键词：

抗震设计框架剪力墙框架－剪力墙概念设计倾覆力矩

目录

前言1

第一章工程概况2

第二章上部结构设计2

2.1楼面和屋面荷载等2

2.2主体结构设计3

第三章基础设计8

结语8

致谢11

前言

高层建筑钢筋混凝土基本结构体系一般包括框架结构体系、框架-剪力墙（筒体）结构体系、剪力墙结构体系、框架-核心筒结构体系、筒体结构体系等。

框架结构体系是沿房屋的纵向和横向，由梁柱构件通过抗弯节点连接而成，既承受竖向荷载，也承受水平荷载的结构体系。

框架结构的抗侧刚度主要取决于梁柱节点的抗弯能力和柱子的轴向刚度，在水平力作用下，框架下部的梁柱弯矩大，层间变形也大，愈到上部层间变形愈小，框架结构变形曲线为剪切型，楼层越高，水平位移增长越慢。

框架结构可通过合理的设计，使之具有良好的抗震性能，但由于高层框架侧向刚度较小，结构顶点位移和层间相对位移较大，使得非结构构件（如填充墙、建筑装饰、管道设备等）在地震时破坏严重，这是它的主要缺点，也是限制框架高度的主要原因之一；剪力墙结构体系是利用建筑物钢筋混凝土墙体承受竖向和水平荷载，并作为建筑物的围护和房间分隔构件的结构体系，剪力墙在其自身平面内的刚度大、强度高、整体性好，在水平荷载作用下，侧向变形小，抗震性能较强，在水平力作用下，变形曲线为弯曲型，楼层越高，水平位移增长越快。

由于剪力墙结构的墙间距不能太大，平面布置不够灵活，难以满足公共建筑的使用要求；此外剪力墙结构的自重也比较大，为满足要求，将底部一层或几层部分剪力墙取消，用框架代替，形成框支剪力墙结构，而这种结构体系，由于底层柱的刚度小，上部剪力墙的刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下，底层柱会产生很大的内力塑性变形，使结构破坏严重；而框架-剪力墙结构体系是由框架和剪力墙这两种受力和变形性能不同的超静定抗侧力结构体系形成的新的抗侧力结构体系，通过梁、楼板等水平构件的协同工作，共同抵抗水平荷载，在地震作用下，当其中一部分有损伤时，另一部分有足够的刚度和承载力能够承受较多的地震作用，在两部分之间会发生内力重分布，其水平位移呈S形的弯剪型曲线变形。

在抗震结构中，设计双重抗侧力体系，是实现多道设防，安全可靠的结构体系，其集合了框架和剪力墙两种抗侧力结构的优点，在地震、风等水平力作用下，框架承受的水平剪力减少及沿高度方向比较均匀，框架各层的梁柱弯矩降低，沿高度方向各层梁柱弯矩的差距减少，在数值上趋于接近，其结构受力合理，建筑造价较经济，同时房间布置比较灵活自由，能够满足多种建筑功能的要求，构成灵活自由的使用空间，因此在高层公共建筑中，深受业主和设计人员的喜爱。

第一章工程概况

本工程为高层办公楼，建筑面积12800m²，其中地下室面积820m²，建筑总高度48.50m，室内外高差0.5m，地下室埋深4.5m，地下一层为设备用房及机动车车库，地上十二层，层高均为4.0m，各层均为标准办公用房，标准柱距8.4m。

顶层由于业主要求有一个大空间会议室，因此取消一根柱，形成16.8m×16.8m较大空间会议室。

该建筑结构使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类（简称C类），结构安全等级为二级。

在多遇地震下，水平地震影响系数最大值为0.08，建筑场地类别为Ⅲ类，建筑场地特征周期为0.45秒，基本风压值为0.4kN/m²，经技术和经济比较分析，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，楼板、屋面均采用现浇钢筋混凝土结构。

框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。

第二章上部结构设计

2.1楼面和屋面荷载等

楼面恒荷载（不包括板自重）为1.5KN/m2,屋面恒荷载（不包括板自重）为3.5KN/m2,楼面活荷载根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006年版）取值，见表2-1.结构内部房间采用轻钢龙骨轻质隔断隔开，可按均布活荷载附加在楼板上，由于各层房间一般为办公室，内隔墙较少，根据现行荷载规范，可取1.0KN/m2。

楼面活荷载标准值（KN/m2）表2-1

楼面功能

荷载标准值

楼面功能

荷载标准值

楼面功能

荷载标准值

办公

2.0

电梯机房

7.0

上人屋面

2.0

小会议

2.0

配电间

10.0

不上人屋面

0.5

卫生间

2.5

消防楼梯

3.5

设备间

4.0

2.2主体结构设计

本工程结构设计遵循安全适用、经济合理的原则，注重抗震概念设计和抗震性能设计，同时亦重视非结构构件抗震设计和混凝土结构耐久性设计。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）表3.3.1-1之A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，抗震设防烈度为7度时，框架结构可达到50m，本工程建筑总高度为48.50m，可采用框架结构体系。

该工程柱网为双向8.4m，经计算高层框架侧向刚度较小，结构顶点位移和层间位移较大，很难满足框架结构弹性位移角规范要求，为满足要求，只有加大柱截面尺寸。

由于柱截面尺寸太大，既不经济，又影响使用，后来增加一些双向剪力墙，主要靠剪力墙承受大部分水平荷载，柱截面尺寸可大大降低。

因此最终选用框架-剪力墙结构体系。

该工程框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。

建筑设计时，结构专业密切配合，重视平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济性的影响，选择规则的形体，其抗侧力的构件平面布置基本规则，侧向刚度沿竖向变化均匀，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小，避免侧向刚度和承载力突变。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）有关要求，该工程框架-剪力墙结构中剪力墙布置尽量符合以下原则：

1.剪力墙布置与建筑使用要求相结合，既不影响使用，又能满足结构要求，剪力墙均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化较大的部位，剪力墙间距不宜过大，并应符合规范要求；

2.纵横剪力墙宜组成L型、T型、П等形式；

3.剪力墙宜贯通建筑物全高，避免刚度突变，剪力墙开洞时，洞口基本上下对齐，大小相同；

4.剪力墙布置时，尽量对称，基本使X、Y两向刚度接近，以减少结构的扭转效应。

本工程剪力墙数量的设置时，进行了多方案比较分析。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）8.1.3明确规定，抗震设计的框架-剪力墙结构，应根据在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩之比的比值，确定相应的设计方法，当框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的10%时，按剪力墙结构进行设计，其中的框架部分按框架-剪力墙结构的框架进行设计；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%时，按框架-剪力墙结构进行设计；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%但不大于80%时，按框架-剪力墙结构进行设计，框架部分的抗震等级和轴压比限值宜按框架结构的规定采用；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的80%时，按框架-剪力墙结构进行设计，其最大适用高度可比框架结构适当增加，框架部分的抗震等级和轴压比限值应按框架结构的规定采用.

有关资料表明，在地震力作用下，侧向刚度与剪力墙抗弯刚度并不成反比关系，在其他条件不变的情况下，剪力墙抗弯刚度增加一倍，顶点位移与建筑物总高度的比值仅减少15%左右，因此过多增加剪力墙的数量是不经济的，在本工程设计中，以满足位移限制等总体指标作为控制剪力墙数量的标准。

当剪力墙的数量较少时，虽然位移等指标能够满足规范要求，但在中震或大震作用下，较易破坏，抗震性能较差，也是不适应的。

因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中，按振型分解反应谱法计算地震时，0.2V0调整可在振型组合以后，并满足高规关于楼层最小地震剪力系数的前提下进行的。

因此，一般高层建筑剪力墙数量和位置确定时，尽量满足在规定的水平力作用下，结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%为好，这样最为经济。

最终确定的剪力墙布置和结构设计方案，经计算分析，框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的45%左右，较好满足规范要求。

本工程纵横向柱网尺寸一般为8.4m，在每跨中间设双向井字梁作为次梁，这样X、Y两向框架梁受力均匀，中间框架梁截面350×750，井字梁截面250×550，框架梁、柱中心线重合。

对于边梁，由于建筑造型要求，边梁偏于柱的外侧，其梁柱中心线不能重合，在计算时考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不力影响，以及梁的荷载对柱子的偏心影响，当不能满足梁柱偏心距小于柱截面在该方向宽度的1/4时，采用增设梁端水平加腋等措施，设置水平加腋后，仍需考虑梁柱偏心不利影响。

楼板均采用钢筋混凝土现浇结构，标准层楼板厚度取100mm，屋面考虑抵抗温度应力不利影响，屋面楼板厚度取120mm，并双层双向配筋，首层楼板作为上部结构、地下结构和地基协同工作连接构件，在构造上适当加强，首层楼板厚度取160mm，满足最小配筋率要求，并双层双向配筋。

梁板混凝土强度等级除首层为C35外，其余均采用C30。

顶层取消一根柱后的大空间会议室16.8m×16.8m，如采用普通主次梁方案，横跨会议室上方框架梁需1.5m高，影响会议室空间高度，为此进行了空心现浇平板方案和加密正放井字梁方案比较分析，顶层大会议室正放井字梁两个方向的梁并非主次关系，采用变形协调计算，采用2.4m间隔布置井字梁，井字梁截面需900mm高，经试算，空心现浇平板厚度需700mm,虽然井字梁方案表面上净空多占用200mm，但室内悬挂空调机可放置在井字梁井格内，不需另外占用结构高度，反而节省公用管线和设备占用高度200mm左右，同时井字梁方案比空心现浇平板方案经济性能更好，综合比较，最后选用加密正放井字梁方案。

墙柱混凝土强度等级首层以下为C40，一~四层为C35，其余为C30，剪力墙厚度地下室为300mm，一~五层为250mm，其余楼层均为220mm，剪力墙、柱截面变化错开，并与墙柱混凝土强度等级变化错开，整个结构侧向刚度和承载力突化均匀，避免出现薄弱层。

主体结构采用中国建筑科学研究院多高层建筑结构三维分析与设计软件SATWE（墙元模型）进行分析计算，主要计算结果见表2-2，位移指标见表2-3

结构计算振型周期表（s）表2-2

振型

周期

平动分量（X+Y）

扭转系数

1

0.916

0.96（0.95+0.01）

0.04

2

0.916

0.98（0.02+0.96）

0.02

3

0.712

0.05（0.02+0.03）

0.95

4

0.525

0.87（0.85+0.02）

0.13

5

0.518

0.86（0.01+0.85）

0.14

6

0.386

0.07（0.04+0.03）

0.93

结构计算位移指标表2-3

弹性变形

地震作用

风载作用

X向

Y向

X向

Y向

最大层间位移

1/1046

1/1073

1/2101

1/2092

计算中考虑风和地震作用影响，主要参数取值：

结构阻尼比取5%，剪力墙连梁刚度折减系数取0.60，由于采用现浇整体式楼盖，梁的刚度可考虑翼缘的增大影响，楼面刚度增大系数对边梁取1.3，对中梁，取2.0，框架梁梁端负弯矩调整系数取0.85。

高层建筑结构整体计算分析时，只考虑了主要结构构件（梁、柱、剪力墙等）的刚度，没有考虑非承重结构构件的刚度，因而计算的自振周期较实际的偏长，按这一周期计算的地震力偏小，为此，应考虑非承重墙体的刚度影响，对计算的自振周期予以折减。

“高规”给出的框架-剪力墙结构折减系数为0.7~0.8，不同的折减系数对整体位移和计算内力有一定的影响，因此，应根据不同的填充墙体种类和与柱连接方式，合理取值，这对工程造价也有不小的影响。

本工程周期折减系数取0.80.

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的第3.4.5规定，“结构平面布置应减少扭转的影响。

在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，

A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；结构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级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。

”

从本工程计算结果可以看出，结构主振型以平动为主，扭转周期与第一振型平动周期之比为0.777，扭转周期与第二振型平动周期之比为0.784，满足规范不大于0.90的要求，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移与该楼层平均值之比均小于1.10；X、Y向有效质量系数分别为99.6%和98.7%，，整体计算各指标均满足规范要求。

根据结构周期经验公式验算出此模型的周期基本符合要求，而从振型参与系数可以看出第一、二、四、五周期基本上为平动周期，其中第一、四周期为X向平动周期，第二、五周期为Y向的平动周期。

第三、六周期平动成分较小，扭转成分较大。

从这一结果可以看出本工程整体刚度和抗扭转性能较好，结构方案经济合理。

本工程柱轴压比一般在0.85以下，在重力荷载代表值作用下，剪力墙墙肢的轴压比均小于0.6，满足国家现行规范对三级框架柱和二级剪力墙墙肢轴压比要求。

柱设计时，柱箍筋设置加密区，加密区范围满足以下要求：

1.底层柱的上端和其它层柱的两端，取矩形柱截面长边尺寸、柱净高1/6和500mm三者之最大值范围；

2.底层柱柱根以上1/3柱净高范围；

3.底层柱刚性地面上下500mm的范围；

4.剪跨比不大于2的柱和因填充墙等形成的柱净高与截面高度之比不大于4的柱全高范围；

5.一、二级框架角柱的全高范围。

剪力墙设置底部加强区：

底部加强区取下部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值，本工程取下部两层，并延伸至地下室底板嵌固处。

由于在重力荷载代表值作用下，剪力墙墙肢的轴压比均大于0.3，因此在剪力墙底部加强区及相邻的上一层即三层以下位置设置约束边缘构件，其余部分设置构造边缘构件。

约束边缘构件构造满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）相关要求。

第三章基础设计

拟建工程场地位于冲积平原，场地开阔、平坦，无滑坡、崩坍、地面坍陷等不良地质作用。

拟建场地覆盖层厚度大于50m，属Ⅲ类建筑场地，据勘察报告揭示，拟建场地表层为人工填土，以下为一般沉积的粉砂、粉土和粉质粘土。

在勘察深度范围内，拟建场地土层可分为九大工程地质层，其中第⑥层粉土夹粉砂：

黄色，中密，很湿。

粉砂灰色，中密~密实，饱和，中压缩性，层厚6.40~8.70m，工程地质性能良好，可作为该建筑物桩端持力层，该工程采用独立承台加筏板基础，板厚为400mm，工程桩采用Φ400PHC高强预应力混凝土管桩，桩长20m，单桩竖向承载力特征值为900KN，桩距一般为3.5d（d为桩径）。

由于存在一层4.5m埋深地下室，基础埋置深度远满足房屋高度的1/18的要求，建筑物计算沉降量最大值为48mm，整体倾斜小于0.002L，建筑物总体沉降量和整体倾斜亦满足地基规范相关要求。

结语

（1）概念设计对于高层建筑结构方案的合理、经济及有效选择非常重要，不仅能考虑结构设计的合理性，而且还能充分考虑建筑的使用要求，进而满足建筑物的安全性、适应性和耐久性的要求。

（2）高层建筑办公楼内隔墙种类和连接方式对刚度影响差异性较大，应根据不同工程具体情况，选择合理的计算自振周期折减系数，这对工程设计的经济性有一定的影响。

（3）根据抗震概念设计原理，确定剪力墙数量和布置方式，计算结果表明，该十二层框架－剪力墙结构高层办公楼的结构设计是经济合理的。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）.中国建筑工业出版社，2010.

[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2010），中国建筑工业出版社，2010.

[3]建筑结构荷载（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2006.

[4]建筑地基基础设计规范（GB50007-2002），中国建筑工业出版社，2002.

[5]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社，2010.

[6]高立人、方鄂华、钱稼茹高层建筑结构概念设计北京：

中国计划出版社，2005.