天友總工說 | 層高對(duì)塔樓計(jì)算指標(biāo)影響分析
? 隨著城市的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市對(duì)寫字樓的硬件要求也隨之增加。華麗的外立面輪廓、奢華氣派的大堂，成為了各大寫字樓重金打造的關(guān)鍵。而隱藏在空間內(nèi)的細(xì)節(jié)——空間層高，往往容易被忽視。每棟寫字樓，因產(chǎn)品配置不同，其中層高也是各有不同。
? 層高一般是指標(biāo)準(zhǔn)層某層的結(jié)構(gòu)底板上表面到上一層底板上表面的距離，層高中包含了梁板厚度、空調(diào)、消防及強(qiáng)弱電布線等管線占據(jù)的高度空間，所以在制定寫字樓方案的時(shí)候，層高直接關(guān)系到辦公的尺度和空間感。
天友總工說，從結(jié)構(gòu)角度分析層高對(duì)塔樓指標(biāo)的影響。
于 學(xué) 增
天津公司工程設(shè)計(jì)第二事業(yè)部結(jié)構(gòu)專業(yè)副總工程師
計(jì)算模型
計(jì)算模板采用典型塔樓，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。模型如左圖所示。底部?jī)蓪雍鸵粚拥叵率覍痈呔鶠?.1米，3至24層層高由常見的3.6至4.2米變化。樓面活荷載取2.0kN/m2，恒荷載取3.0kN/m2，樓板自重自動(dòng)計(jì)算。設(shè)防烈度7度，地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，場(chǎng)地類別三類，抗震等級(jí)符合規(guī)范要求。分析了層高對(duì)總體信息，周期，位移，內(nèi)力和材料等方面的影響，為相關(guān)項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)，為方案制定提供參考。
01
對(duì)一般信息的影響
分析項(xiàng)目包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量，風(fēng)荷載作用下的底部剪力和傾覆彎矩等，結(jié)果如下表所示：
▲表中( )內(nèi)為不同層高結(jié)果與3.6米層高結(jié)果的比值
? 隨層高的增加，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件自重及填充墻自重增加，結(jié)構(gòu)恒荷載增加，每次變化增加幅度約2%，與單層面積及豎向構(gòu)件占單層重量比例有關(guān)；
? 隨層高增加，結(jié)構(gòu)總高度增加，風(fēng)荷載增大，底部剪力和底部彎矩增大，彎矩增大幅度與底部剪力增大幅度基本呈平方關(guān)系。
02
對(duì)周期和地震剪力的影響
分析項(xiàng)目包含基本振型對(duì)應(yīng)周期、基底剪力和剪重比，結(jié)果如下表所示：
▲表中[ ]內(nèi)為不同層高結(jié)果與3.6米層高結(jié)果的比值
規(guī)范規(guī)定最小剪重比為2.40%，計(jì)算結(jié)果均滿足要求。隨層高增加，結(jié)構(gòu)剛度減小，周期變長(zhǎng)，周期增大幅度0~20%，結(jié)構(gòu)基底剪力減小，減小幅度0~9%。雖然隨層高增加結(jié)構(gòu)重力荷載代表值增加，但由于周期增大，反應(yīng)譜分析地震影響系數(shù)減小，基底剪力減小。（如下圖所示）
▲周期隨層高變化規(guī)律示意圖
▲基底剪力隨層高變化規(guī)律示意圖
03
對(duì)位移的影響
分析項(xiàng)目包含最大層間位移角和位移比，結(jié)果如下表所示：
隨層高增加，結(jié)構(gòu)剛度減小，層間位移角增加，增加幅度0~9%，均滿足規(guī)范要求，對(duì)位移比影響不大。（如下圖所示）
▲位移角隨層高變化規(guī)律示意圖
04
對(duì)構(gòu)件內(nèi)力和配筋的影響
構(gòu)件選取首層核心筒的一片墻體考察層高變化對(duì)其受力及配筋影響，結(jié)果如下表所示：
隨層高增加，結(jié)構(gòu)軸力增加，軸壓比增大，剪力和彎矩減小，配筋減小或由最小配筋率控制。（如下圖所示）
▲剪力彎矩隨層高變化規(guī)律示意圖
05
對(duì)材料用量的影響
從混凝土和鋼筋材料用量方面分析層高變化的影響。混凝土用量包含板、梁柱和墻，鋼筋用量包含梁、柱和墻。結(jié)果如下表所示：
▲表中( )內(nèi)為不同層高結(jié)果與3.6米層高結(jié)果的比值
隨層高的增加，由于豎向構(gòu)件高度增加，材料用量增加。其中，混凝土用量增加，每次變化增加幅度約2%。梁鋼筋用量增加約3~7%，柱鋼筋用量增加約5%，墻鋼筋用量增加約3~13%。鋼筋總量增加約3~8%。混凝土和鋼筋用量隨層高變化。（如下圖所示）
▲混凝土隨層高變化規(guī)律示意圖
▲鋼筋量隨層高變化規(guī)律示意圖
06
小 結(jié)
? 隨層高的增加，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件自重及填充墻自重增加，結(jié)構(gòu)恒荷載增加，每次變化增加幅度約2%，與單層面積及豎向構(gòu)件占單層重量比例有關(guān)；
? 隨層高增加，結(jié)構(gòu)總高度增加， 風(fēng)荷載增大，底部剪力和底部彎矩增大，彎矩增大幅度與底部剪力增大幅度基本呈平方關(guān)系。
最小剪重比均滿足：隨層高增加，結(jié)構(gòu)剛度減小，周期變長(zhǎng),周期增大幅度0~20%，結(jié)構(gòu)基底剪力減小，減小幅度0~9%。雖然隨層高增加結(jié)構(gòu)重力荷載代表值增加，但由于周期增大，地震影響系數(shù)減小，基底剪力減小。
隨層高增加，結(jié)構(gòu)剛度減小，層間位移角增加，增加幅度0~9%，均滿足規(guī)范要求，對(duì)位移比影響不大。
隨層高增加，結(jié)構(gòu)軸力增加，軸壓比增大，雖然結(jié)構(gòu)總高增加了，風(fēng)荷載及重力荷載代表值增大，但由于地震力減小，配筋設(shè)計(jì)基本由地震參與組合工況控制，配筋設(shè)計(jì)時(shí)的剪力和彎矩減小，正截面和斜截面配筋減小，但減小幅度有限，其中部分由最小配筋率控制，也就是說，雖然計(jì)算配筋減小，但設(shè)計(jì)配筋不變。
從概念上說，層高增加，會(huì)適當(dāng)增加豎向構(gòu)件的延性，考慮到框架柱尺寸較大，適當(dāng)?shù)膶痈呖杀苊庑纬啥讨驑O短柱。
隨層高的增加，結(jié)構(gòu)混凝土總量每次變化增加幅度約2%，鋼筋總量每次變化增加幅度約3%，方案階段可結(jié)合使用效果、產(chǎn)品定位、全專業(yè)綜合效益及成本等因素綜合分析以確定合理的層高。