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.docx
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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
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
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
1.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。
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。
2.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8.36万㎡，总建筑面积约39万㎡，住宅建筑面积208733.64
，商业建筑面积181660.96
，配套设施建筑面积10931
，车库及设备用房建筑面积38240.71
，总绿地面积24561.75
。
拟建项目容积率为2.30，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52.3m，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23#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0.05g，设计地震分组第一组，建筑场地类别Ⅱ类，特征周期0.35s。
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0.4
，风荷载作用下，结构水平位移计算取0.4
，舒适度计算取0.3
。
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）
C30
C30
C30（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,C30
C30
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（≥Φ6）
钢材：
采用Q235-B·F（热轧普通型钢）。
焊条：
E43系列用于焊接HPB300钢筋、Q235-B·F、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A5.0，容重≤8.0KN／m3，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MU7.5，其容重≤19.0KN／m3，砌块砂浆为M5.0水泥砂浆。
3.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。
3.1抗侧力体系
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33#结构平面图
3.2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。
同时进行梁柱的布置。
3.4.2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0.05X20=1.00
110mm厚混凝土楼板0.11X25=2.75
吊顶、抹灰0.7
恒荷载4.45
活荷载2.0
卫生间
5厚防滑铺地砖，稀水泥浆擦缝0.005X21.5=0.11
20厚1:
4干硬性水泥砂浆结合层0.02X20=0.4
50厚最高处1:
2.4细石混凝土从门口处向地漏找泛水，
最低处不少于30厚0.04X24=0.96
20厚1:
3水泥砂浆找平层0.02X20=0.4
130厚混凝土楼板0.13X25=3.25
恒荷载5.75
活荷载2.5
根据《建筑结构荷载规范GB50009-2012》[6]参考楼屋面荷载，活荷载住宅2.0
，疏散楼梯3.5
，不上人屋面0.5
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）:
<5
墙元细分最大控制长度（m）
DMAX=1.0
强制刚性楼板假定时保留弹性板面外刚度
否
墙梁跨中节点作为刚性楼板从节点
是
结构材料信息
钢筋混凝土结构
结构体系
框架剪力墙结构
结构所在地区
全国
规定水平力的确定方法
楼层剪力差法（规范方法）
风荷载信息:
修正后的基本风压（kN/m2）:
WO=0.45
地面粗糙程度:
B类
X向结构基本周期（秒）:
T1=xx（试算后填入以X向为主的第一平动周期的数值）
Y向结构基本周期（秒）:
T2=xx（试算后填入以Y向为主的第一平动周期的数值）
风荷载下结构阻尼比（%）
5
承载力设计时风荷载效应放大系数
1.1（高度>=60m时），1.0（高度<60m时）
用于舒适度计算的基本风压
0.30
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
0.05
Y向相对偶然偏心
0.05
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
0.5
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
0.85
梁活荷载内力放大系数
1
梁扭矩折减系数
0.4
托墙梁刚度放大系数
1
实配钢筋超配系数
1.15
连梁刚度折减系数
0.6
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
1.0~1.1（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
1.5
0.2V0分段调整分段数
0
设计信息:
结构重要性系数:
RWO=1.00
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:
RN=0.85
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：
（1）基坑面积约2.2万
，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。
4.1地基基础
万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
2.21
4.77
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
0.96
0.51
不透水
3b
粉质黏土
人工填土及坑底淤泥底界-1.1000
4.04
2.30
微透水
4
粉质黏土
-1.1000-
-3.6000
2.57
1.23
微透水
5
粉质黏土
-3.600-
-6.000
0.9
0.22
不透水
相对隔水层
6
粉质黏土
-6.000-
-8.8000
4.14
8.20
微透水
7a
粉土
-6.000-
-8.8000
99.00
79.00
弱透水
承压水含水层
7b
粉质黏土
-6.000-
-8.8000
0.74
0.4
不透水
7c
粉土
-8.800-
-12.1000
21.00
10.70
弱透水
8a
粉质黏土
-8.800-
-12.1000
0.63
0.61
不透水
8b
粉土
-8.800-
-12.1000
76.40
75.90
弱透水
8c
粉质黏土
-8.800-
-12.1000
0.15
0.47
不透水
相对隔水层
4.2基坑支护
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
调整系数
5.1.1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]6.1.3以及《高规》[8]8.1.3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WV02Q.OUT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%
5.1.2
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，《抗规》6.2.13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1.5倍二者的较小值。
5.2内力图
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WZQ.OUT文件中自振周期结果见表2。
《高规》中规定，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0.85。
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
1.6844
178.54
1.00（1.00+0.00）
0.00
2
1.5092
88.47
1.00（0.00+1.00）
0.00
3
1.3259
122.20
0.00（0.00+0.00）
1.00
4
0.4992
176.35
1.00（0.99+0.00）
0.00
5
0.4425
86.47
1.00（0.00+0.99）
0.99
6
0.4080
33.57
0.01（0.01+0.00）
0.04
7
0.2673
175.96
0.96（0.96+0.01）
0.21
Y由表中数据可知：
周期比Tt/T1=1.3259/1.6844=0.787<0.9,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》3.4.2条。
本工程WDISP.OUT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》4.6.3条最大层间位移角小于等于1/800的规定；最大位移与层平均位移的比值、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:
1.35，X方向最大层间位移与平均层间位移的比值:
1.35；Y方向最大位移与层平均位移的比值:
1.28，Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值:
1.28。
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WZQ.OUT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5.0s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。
结构整体验算结果：
X向刚重比7.03，Y向刚重比8.83该结构刚重比大于1.4，能够通过《高规》5.4.4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
倾覆力矩
比值
/
零应力区（%）
X风荷载
2853694.2
45000.8
63.41
0.00
Y风荷载
2142426.0
60973.7
35.14
0.00
X地震
2779635.5
64226.3
43.28
0.00
Y地震
2086826.1
72021.3
28.98
0.00
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
0.9
0.95
0.6~0.8
----
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9x、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。
6.1结构抗震设计
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Ⅱ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
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