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^日勺抗震结构体系。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一剪力墙结构双重抗侧力体系^日勺受力和变形性能， 从抗震概念设计和抗震性能设计^日勺角度，提出了延性设计、超静定结构和可以实现多道设防^日勺结构，是、抗震结构设计^日勺基本要求，论述了框架一剪力墙结构中剪力墙布置^日勺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^日勺底层框架部分承受^日勺地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩E勺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TOC\o"1-5"\h\z前言 4第■章 工程概况 5第二章 上部结构设计 62.1楼面和屋面荷载等 62.2主体结构设计 7第三章 基础设计 14结语 14致谢 错误！未定义书签刖百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〃日勺纵向和横向，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H勺结构体系。框架结构OH勺抗侧刚度主要取决丁梁柱节点H勺抗弯能力和柱子H勺轴向刚度， 在水平力作用下，框架下部H勺梁柱弯矩大，层问变形也大，愈到上部层问变形愈小，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^日勺设计，使之具有良好^日勺抗震性能，但由丁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^日勺主要缺点，也是、限制框架高度^日勺主要原因之一；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^日勺围护和房间分隔构件^日勺结构体系，剪力墙在其自身平面内^日勺刚度大、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。由丁剪力墙结构^日勺墙间距不能太大,平面布置不够灵活，难以满足公共建筑^日勺使用要求；此外剪力墙结构〃日勺自重也比较大，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，由丁底层柱。＞日勺刚度小，上部剪力墙刀日勺刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下，底层柱会产生很大^日勺内力塑性变形，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^日勺超静定抗侧力结构体系形成勺新勺抗侧力结构体系， 通过梁、楼板等水平构件^日勺协同工作，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^日勺刚度和承载力能够承受较多^日勺地震作用，在两部分之间会发生内力重分布，其水平■位移呈 S形^日勺弯剪型曲线变形。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^日勺结构体系，其集合了框架和剪力墙两种抗侧力结构^日勺优点，在地震、风等水平力作用下，框架承受^日勺水平剪力减少及沿高度方向比较均匀， 框架各层^日勺梁柱弯矩降低，沿高度方向各层梁柱弯矩^日勺差距减少，在数值上趋丁接近，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〃日勺要求，构成灵活自由^日勺使用空间，因此在高层公共建筑中，深受业主和设计人员。^勺喜爰。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。顶层由丁业主要求有一个大空间会议室，因此取消一根柱，形成16.8mX16.8m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，建筑场地类别为用类，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包荷载（不包括板自重）为1.5KN/m2、屋面包荷载（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，由丁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/m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上人屋而2.0小会议2.0配电问10.0不上人屋面0.5卫生问2.5消防楼梯3.5设备问4.02.2主体结构设计本工程结构设计遵循安全适用、经济合理^日勺原则，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^日勺最大适用高度，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。由丁柱截面尺寸太大，既不经济，乂影响使用，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^日勺规则性对抗震性能及经济性H勺影响,选择规则H勺形体，其抗侧力O日勺构件平■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^日勺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：剪力墙布置与建筑使用要求相结合，既不影响使用，乂能满足结构要求，剪力墙均匀布置在建筑物。＞日勺周边附近、 楼梯间、电梯间、平■面形状变化较大刀日勺部位，剪力墙间距不宜过大，并应符合规范要求；纵横剪力墙宜组成L型、T型、n等形式；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；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^日勺扭转效应。本工程剪力墙数量H勺设置时，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H勺框架-剪力墙结构，应根据在规定H勺水平■力作用下结构底层框架部分承受H勺地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩之比O日勺比值，确定相应H勺设计方法，当框架部分承受O日勺地震倾覆力矩不大丁结构总地震倾覆力矩^日勺 10%时，按剪力墙结构进行设计，其中〃日勺框架部分按框架-剪力墙结构^日勺框架进行设计；当框架部分承受勺地震倾覆力矩大丁结构总地震倾覆力矩^日勺 10%但不大丁50%时，按框架-剪力墙结构进行设计；当框架部分承受^日勺地震倾覆力矩大丁结构总地震倾覆力矩〃日勺50%但不大丁80%时，按框架-剪力墙结构进行设计，框架部分^日勺抗震等级和轴压比限值宜按框架结构^日勺规定采用；当框架部分承受^日勺地震倾覆力矩大丁结构总地震倾覆力矩^日勺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O日勺抗震等级和轴压比限值应按框架结构^日勺规定采用.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^日勺情况下，剪力墙抗弯刚度增加一倍，顶点位移与建筑物总高度^日勺比值仅减少15%左右，因此过多增加剪力墙勺数量是、不经济00^,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^日勺标准。 当剪力墙^日勺数量较少时，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^日勺。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，并满足高规关丁楼层最小地震剪力系数H勺前提下进行H勺。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^日勺水平力作用下，结构底层框架部分承受^日勺地震倾覆力矩大丁结构总地震倾覆力矩^日勺10%但不大丁50%为好，这样最为经济。最终确定^日勺剪力墙布置和结构设计方案，经计算分析，框架部分承受^日勺地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩。＞日勺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350X750，井字梁截面250X550,框架梁、柱中心线重合。对丁边梁，由丁建筑造型要求，边梁偏丁柱④)日勺外侧，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^日勺不力影响,以及梁^日勺荷载对柱子勺偏心影响, 当不能满足梁柱偏心距小丁柱截面在该方向宽度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夕卜，其余均采用C30。顶层取消一根柱后^日勺大空间会议室16.8mx16.8m,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^日勺梁并非主次关系，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Zu。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

振型周期平动分量（X+Y）扭转系数10.9160.96(0.95+0.01)0.0420.9160.98(0.02+0.96)0.0230.7120.05(0.02+0.03)0.9540.5250.87(0.85+0.02)0.1350.5180.86(0.01+0.85)0.1460.3860.07(0.04+0.03)0.93结构计算振型周期表（s）表2-2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向最大层问位移1/10461/10731/21011/2092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,由丁采用现浇整体式楼盖，梁^日勺刚度可考虑翼缘^日勺增大影响，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）^日勺刚度，没有考虑非承重结构构件^日勺刚度， 因而计算^日勺自振周期较实际^日勺偏长，按这一周期计算^日勺地震力偏小，为此，应考虑非承重墙体^日勺刚度影响，对计算〃日勺自振周期予以折减。“高规”给出日勺框架-剪力墙结构折减系数为0.7~0.8,不同H勺折减系数对整体位移和计算内力有一定H勺影响，因此，应根据不同^日勺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^日勺影响。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》COH勺第3.4.5规定，“结构平■面布置应减少扭转H勺影响。在考虑偶然偏心影响H勺规定水平■地震力作用下，楼层竖向构件最大。＞日勺水平■位移和层问位移，A级高度高层建筑不宜大丁该楼层平均值^日勺1.2倍，不应大丁该楼层平均值CDH勺1.5倍；结构扭转为主^日勺第一自振周期Tt与平动为主^日勺第一自振周期Ti之比，A级高度高层建筑不应大丁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。＞日勺复杂高层建筑不应大丁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，满足规范不大丁0.90^日勺要求，楼层竖向构件最大^日勺水平■位移和层问位移与该楼层平均值之比均小丁1.10;X、Y向有效质量系数分另U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^日勺周期基本符合要求，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00W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〃日勺轴压比均小丁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：底层柱^日勺上端和其它层柱^日勺两端，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；底层柱柱根以上1/3柱净高范围；底层柱刚性地面上下500mm^日勺范围；剪跨比不大丁2。＞日勺柱和因填充墙等形成。＞日勺柱净高与截面高度之比不大丁4〃日勺柱全高范围；一、二级框架角柱。＞日勺全高范围。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^日勺 1/10二者^日勺较大值，本工程取下部两层，并延伸至地下室底板嵌固处。由丁在重力荷载代表值作用下，剪力墙墙肢^日勺轴压比均大丁0.3,因此在剪力墙底部加强区及相邻^日勺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。第二章 基础设计拟建工程场地位丁冲积平原，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丁 50m,届用类建筑场地，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^日勺粉砂、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层粉土火