某高层住宅楼结构设计

某高层住宅楼结构设计【摘要】结合一幢高层住宅楼的结构设计，详细介绍了其基础选型、桩基的结构布置，以及相应的计算分析结果，并提出了剪力墙设计要注意的几个问题。

结构计算分析表明，结构的周期、位移以及承载力均满足规范要求。

【关键词】高层住宅; 桩筏基础;剪力墙;结构分析【中图分类号】TU973 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2008)11-0096-02（一）工程概况广西南宁市某机关大院的一幢高层住宅楼，建筑总面积13240 m2，建筑主体高度75m。

地下层2 为设备用房，地下层1为车库, 建筑地上25层住宅。

建筑物基本风压取0.40KN/m2，6 度抗震设防，建筑场地类别Ⅱ类,工程地质情况详见表1。

（二）基础与桩基设计建筑物地下室底板面标高-7.00m，基底持力层位于第③层粉质粘土层，主楼总重设计值为318501KN，基底平均压力标准值为452KN/m2，大于基底持力层③的承载力，因此天然地基不能满足设计要求。

为满足承载力要求且减少基础沉降，决定采用桩筏基础,桩端持力层是第⑥层圆砾层，以贯入度确定桩端进入持力层的深度。

1.桩设计（1）桩的选型。

有四种可供选择的桩型，现分析对比如下：A.在本场地中，人工控孔桩在进入埋藏有孔隙潜水的粉土④、中砂⑤、圆砾⑥层后，易出现流土、流沙现象，施工非常困难。

B.沉管夯扩桩施工进入圆砾层⑥层后，能扩大头，单桩承载能力也较高，但施工噪声相对较大。

C.钻孔桩施工，需注意控制桩底沉渣和桩身质量，易造成断桩、夹泥、离析等缺陷，且施工需要泥浆护壁，污染环境。

D.静压预制桩。

施工速度快，桩身质量可靠，以圆砾⑥层作为桩端持力层，以贯入度确定桩端持力层位置，经施工压密后的桩端持力层厚度稳定、承载力高，桩基沉降量较均匀。

综合考虑受力、经济、施工、质量等多方面因素后，最后确定采用静压预制桩，以圆砾⑥层作为桩端持力层。

（2）桩基础设计。

本工程选用400×400 的预制钢筋混凝土方桩，有效桩长约12.50 m，桩身混凝土强度等级C40，建筑桩基安全等级二级。

根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002，单桩竖向承载力特征值Ra按下列公式估算（不考虑桩土间作用）。

Ra =upΣqsiali+qpaAP通过计算及综合考虑，最终承载力值采用：Ra=1100 k N。

桩身强度验算：ψcfcAP=0.75×19.1×400×400=3056 KN>Q，满足要求。

根据上部结构传来的荷载情况及地基承载力条件，主楼下满堂布桩。

为获得均匀的单桩反力及群桩最大的惯性矩，使群桩形心和上部结构竖向荷载作用中心尽量重合，对桩位进行了多次调整优化，桩基平面布置见图1。

根据荷载分布情况，以⑩轴处剪力墙为准，桩间距为1.25、1.4m×1.4、1.5m，共布318 根桩。

2.筏板设计采用PKPM-JCCAD 有限元分析软件计算桩筏基础整体受力。

考虑到楼梯、电梯剪力墙筒处刚度较大，荷载集中，为减少基础不均匀沉降，适当增大底板刚度，通过底板将上部结构的荷载有效地扩散到桩基上。

通过选用多种内力组合，对不同板厚的基础变形、底板配筋量综合比较，不断优化，最终确定筏板厚1800mm。

工程是一个带纯地下室裙房的高层建筑，裙房地下室设300mm 厚防水板与主楼筏板相连。

因此在设计时，需考虑到纯地下部分与主体结构部分建筑高度，层数以及荷载等存在极大差异。

为了减少差异沉降的影响，在主体结构和裙房之间，通过设置沉降后浇带来有效地减少高低层之间的沉降差，后浇带位置见图1，宽度为800mm，该后浇带混凝土在主体结构封顶后方可进行浇注。

3.基础沉降桩筏沉降量按单向压缩分层总和法（弹性解Mindlin 应力公式）计算，平均沉降S1=119.85mm，等代墩基沉降S2=72.40mm，S1/S2=1.66，满足规范要求。

根据观测部门提供的观测资料，工程主体结构封顶后的平均沉降值满足规范要求。

（三）上部结构1.结构体系根据业主的建筑使用功能需要，为了能与建筑平面较好地配合，无柱子外凸，顶棚无梁角，便于家具布置，改善室内视角效果，增加使用空间。

工程采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系。

从受力角度看，剪力墙侧向刚度大，变形小，对高层建筑有利，因此，高层住宅采用剪力墙结构是比较理想的方案。

剪力墙平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应，必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。

2.剪力墙结构设计剪力墙设计中要注意的几点问题。

（1）剪力墙结构整体刚度不宜过大。

剪力墙结构刚度很大，一般来说周期较短，相应地震力较大，如果剪力墙结构刚度过大，不仅材料消耗多，不经济，而且，地震力过大会使部分墙肢和连梁超筋或截面不符合抗剪要求，造成截面设计困难。

一般宜控制剪力墙结构的刚度能满足位移限值要求即可。

设计中，可通过减薄墙厚、加大洞口、减小连梁高度、窗下墙改用填充墙等措施来调整其刚度。

（2）单片剪力墙刚度不宜过大。

剪力墙结构应具有足够的延性，细高的剪力墙(高宽比大于2)容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。

此外，单片剪力墙刚度过大，承担的水平力份额较大，一旦破坏就会出现严重后果。

同时，墙段长度较小时,墙体的配筋能够充分的发挥作用，因此，墙段的长度不宜大于8m。

设计中，可通过开设结构洞口将长墙分成长度较小的若干段，洞口、连梁宜采用弱连梁(跨高比宜大于6)。

（3）连梁设计。

在带连梁的剪力墙设计中，连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响，设计不当经常出现连梁承载力超限或连梁截面不符合设计要求的情况，设计时可从以下方面考虑。

1）对连梁的刚度进行折减。

连梁由于跨高比较小，与之相连的墙肢刚度大等原因，在水平力作用下的内力往往很大，连梁屈服时表现为梁端出现裂缝，刚度减小，内力重分布。

因此，在开始进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。

高规(JGJ3-2002)中解释说高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析，但抗震设计的剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小，而承受的弯矩和剪力很大，配筋设计困难。

因此，可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂(刚度降低)而把内力转移到墙体上。

通常，设防裂度低时可少折减一些(6 度时可取0.7)。

但折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。

2）增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度，即增加连梁跨度，减小连梁高度，其目的是减小连梁刚度，同时由于减小了结构的整体刚度，也就减小了地震作用的影响，使连梁的承载力有可能不超限。

高层结构中，连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的弯曲破坏先于剪切破坏。

因此，不能人为加大连梁的纵筋，否则，可能无法满足“强剪弱弯”的要求。

此外还可采用增加剪力墙厚度或提高连梁混凝土强度的方法。

3.结构分析采用PKPM 空间分析程序SATWE 进行结构计算分析。

S A T W E 采用在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，不仅有平面内刚度，而且有平面外刚度，楼板可考虑弹性变形。

下面介绍计算结果。

（1）主要振型的结构周期见表2，共采用了15 个振型进行计算分析，表2 列出了前3 个主要振型。

从表2 可以看出,以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 之比为0.843，符合《高规》不大于0.9 的要求。

结构的最大层间位移角Max-D/h，地震作用下为1/1960，风荷载作用下为1/2282，均在规范的允许范围内。

（2）楼层的最大弹性水平位移及单根锚杆按承受一个网格内平面荷载考虑，按实际柱网尺寸，取网格2.2×2.2（m）锚杆拉力设计值Na ，标准值Nak（1）不考虑人防荷载时Na/SW≥1.05 （GB 50069－2002）Na≥1.05 SWA=1.05x57.92x2.2x2.2=294.35KNNak= Na/γ0=294.35/1.3=226.42KN （参GB 50330-2002 7.2.1）锚杆钢筋截面面积计算（参GB 50330-2002 7.2.2）AS≥γ0 Na／（ξ２fy）=1.0×294.35x103／（0.69×360）＝1185mm2（配2 根HRB400 直径为28 钢筋）锚杆锚固体与地层的锚固长度计算：（锚固体直径按120mm）（参GB 50330-2002 7.2.3）锚杆锚固体与地层的粘结强度ｆｒｂ＝100k Pa ｌa≥N ak/(ξ1πDｆｒｂ)=226.42/(1.00x3.142x0.120x100) =6.01(m)锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度计算（参GB 50330-2002 7.2.4）锚杆钢筋与锚固砂浆间的结强度ｆｂ＝2.10MPa ｌa≥Nak/(ξ1nπdｆｂ)=226.42/(0.6x2x3.142x0.028x2100) =1.02(m)（2）考虑人防荷载时按临时性锚杆计算，抗浮安全系数取为1.0，钢筋考虑材料综合调整系数γd＝1.2 Na/SR≥1.0 （GB 50069－2002）Na≥1.0SRA=1.0x79x2.2x2.2=382.36KNNak= Na/γ0=382.36/1.3=294.12KN（参GB 50330-2002）锚杆钢筋截面面积计算（参GB 50330-2002 7.2.2）AS≥γ0 Na／（ξ２fy）=1.0×382.36x103／（0.92×432）＝962mm2锚杆锚固体与地层的锚固长度计算：（锚固体直径按120mm）（参GB 50330-2002 7.2.3）ｌa≥N ak/(ξ1πDｆｒｂ)=294.12 /(1.33x3.142x0.120x100) =5.86(m)锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度计算锚杆钢筋与锚固砂浆间粘结强度远大于锚杆锚固体与地层的粘结强度，所以在此不必计算。

5.锚杆构造及做法根据锚杆计算结果，锚杆网格尺寸取不大于2.2×2.2m，锚杆锚固体直径120mm，钢筋取2 根直径28mm 的HRB400 级钢筋每孔，锚杆长度为7m 全长锚固。

6.验收试验荷载参考建筑边坡工程技术规范GB 50330-2002，按永久性锚杆验收验收荷载：1.1ξ２Ａｓｆｙ＝1.1×0.69×2×615.7×360＝336.1k N。

（四）结束语1.抗浮锚杆荷载水平较低，布置非常灵活，数量较多，锚固效率高，有利于底板均匀受力，减少底板厚度。

2.抗浮锚杆作为竖向受力支点可以用于抵抗底板人防荷载的作用，这样可以大大减少底板的厚度和配筋量。