談超限高層結構設計

楊 福 平

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

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談超限高層結構設計

楊 福 平

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

結合工程實例，分析了超限高層結構設計中需采取的加強措施，從設防目標、抗震性能設計、抗震計算等方面，闡述了超高層結構設計的基本原則，并總結了設計中的注意事項，旨在保證建筑結構的安全性。

超限高層，結構設計，抗震性能，剪力墻

近年來隨著太原市經(jīng)濟的快速發(fā)展，從2012年以來，我市建起了不少超高超限的建筑，如我院設計的太原湖濱國際廣場(高208 m)、茂業(yè)天地(高216.1 m)、萬達廣場(高178.4 m)等超高層建筑。無論是從它的建筑消防設計還是結構的抗震設計以及機電專業(yè)設計，都具有一定的復雜性、特殊性并引起大家的關注，依據(jù)國家建筑結構設計規(guī)范，參考山西省部分超限建筑工程送審報告，下面就我院設計的幾項工程的結構設計案例進行了歸納總結，供大家參考，不妥之處請指正。

1 工程案例

1.1 茂業(yè)天地辦公樓

1)工程概況。該工程由茂業(yè)置業(yè)房地產(chǎn)公司投資興建，位于太原市體育路與親賢北街交叉路口處。占地面積140.157畝，總建筑面積約642 278.43 m2，地下2層，地面以上由1幢高層酒店和5層裙房組成，高層辦公樓與其裙樓間設有抗震縫，縫寬按中震作用下的位移計算確定為200 mm,結構從地面以上完全斷開，形成各自獨立的結構單元。超高層辦公樓的總高度為209.8 m(從室外地面至大屋面高度)，地下2層，地上52層，標準層層高為3.8 m，20層，38層設置避難層，避難層層高為5.5 m。設計使用年限為50年。高層部分面積為10 000 m2，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構，基礎采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁+承臺梁或筏板基礎。建筑結構的安全等級為二級。2)超限情況。按照GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范的有關規(guī)定，該工程高度209.8 m,屬于B級高度超限；1層頂樓板開洞面積大于30%的屬于開洞超限；扭轉位移比大于1.2，屬于扭轉不規(guī)則超限。3)結構設計采取的加強措施。根據(jù)以上的超限情況在結構設計中采取以下措施：a.針對B級高度超限，加強5層頂部及突出屋面電梯機房的豎向構件延性，配筋量比計算提高10%；b.對底部加強部位為4層(高于1/10×H=20.8 m)；c.框架和筒體按一級抗震構造措施處理；d.軸壓比控制：對剪力墻在底部加強部位控制在0.45；e.其他構件構造配筋加大；f.對于樓板進行了工況分析，對內(nèi)力較大的區(qū)域采取了局部構造加強。

1.2 萬達廣場商業(yè)寫字樓

1)工程概況。該工程由太原萬達廣場有限公司投資興建，位于太原市解放路，與西二巷相鄰，占地為94.59畝，總建筑面積為385 876 m2(地上288 876 m2，地下97 000 m2)，超限高層辦公樓建筑面積約為15.5萬m2。建筑總高度為178.4 m，為B級超高層建筑，裙房總高度為26.10 m。該項目為地下2層(主要功能為車庫)，地面以上由2幢42層超高寫字樓和5層商業(yè)裙房組成。裙樓在±0.000以下相連為一體，在±0.000以上設置有抗震縫，縫寬為200 mm,形成各自獨立的結構單元。建筑結構的安全等級是二級。

2)超限條款。按照GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范以及《山西省抗震設防超限高層建筑工程的工程界定》的有關規(guī)定，該項工程高度為178.4 m，超B級高度要求，該項工程2層開洞率大于30%，屬于一項不規(guī)則超限。

3)結構設計采取的加強措施。a.底部加強部位高度：按高規(guī)7.1.4條可取墻肢總高度的1/10和底部2層的較大值。底部加強部位為5層樓面以下(高于1/10×H=17.8 m),6層，7層為過渡層；b.加強頂部5層框架柱，配筋量比計算提高10%；c.抗震等級：底部框架和筒體按特一級抗震構造措施處理；d.軸壓比控制：對剪力墻在底部加強部位控制在0.5，對框架柱在底部加強部位控制在0.7；e.剪力墻軸壓比超過0.25時，應設置邊緣構件；f.加強各種構造配筋；g.對于樓板進行了工況分析，對內(nèi)力較大的區(qū)域采取了局部構造加強，采用雙向配筋，按中震不屈服應力分析結果對配筋進行調整。

1.3 中鐵三局科技研發(fā)中心

1)工程概況。該項目位于太原市迎澤大街新建路西口南角，總建筑面積為67 740.54 m2，地下2層，地上37層。地上結構總高度為170 m。塔樓采用型鋼混凝土—鋼筋混凝土核心筒+伸臂桁架結構體系。結構安全等級均為二級，結構重要性系數(shù)為1.0，第12層，25層為加強層，整樓層設置伸臂桁架及角部懸臂桁架。

2)超限條款。建筑總高度為170 m，為超B級高度；首層頂板開洞約為30.5%；第36層頂板開洞約35.6%。

3)結構設計采取的加強措施。在設計中除了在整樓層增加設置伸臂桁架及角部懸臂桁架外，其他結構采取的加強措施基本思路和做法同以上的兩個案例，在此就不再重復敘述。

2 超高層結構設計的基本原則

2.1 設防目標及方法

我國GBJ 11—89建筑抗震設計規(guī)范的設防目標及設計方法為“三水準，兩階段”，三水準即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

兩階段：第一階段為彈性設計階段。即通過采用振型分解彈性反應譜理論去求地震作用標準值和相應的地震作用效應(其中包括內(nèi)力和變形)，并按照建筑結構可靠度設計的基本原則和方法，考慮概念設計中要求的各種放大系數(shù)進行構件的抗震承載力計算，同時采用各種抗震措施(包括抗震構造措施)，以求得能滿足第二水準(中震)和第三水準(大震)的相關要求。第二階段是彈塑性設計階段。要求進行結構在大震作用下的彈塑性變形驗算。這時結構薄弱部位的最大層間位移角應滿足要求。

2.2 結構抗震性能設計的基本原則

使所有的工程結構在預定的使用年限內(nèi)，在不同強度水平(或稱強度水準)的地震作用下，達到預定的不同的性能目標，就是以抗震性能目標為基準的結構抗震性能設計。

主要特點就是：使結構抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，業(yè)主(或設計者)可以根據(jù)建筑結構的使用年限、工程所在地區(qū)的設防烈度、場地條件、房屋高度、不規(guī)則的部位和程度，以及業(yè)主的經(jīng)濟實力、房屋建筑的重要性等去選擇所需要的性能目標，并對建筑結構的抗震性能目標做深入的分析，保證超限建筑工程的實現(xiàn)。

2.3 抗震設計計算應選擇合理的計算軟件

1)按照規(guī)定對超高層結構計算時，應采用兩個或兩個以上經(jīng)住房和城鄉(xiāng)建設部批準認定的計算機軟件進行整體內(nèi)力和位移分析計算。國內(nèi)目前可采用的有SATWE，SPA2000，盈建科，MIDAS/GEN，ETABS，ABAQUS等。我們在使用時，一定把軟件所需要的技術參數(shù)搞清楚，有些軟件還需要二次開發(fā)后才能用，如ABAQUS軟件是全球計算分析軟件，功能強大，但不是萬能的，如果我們所計算的建筑工程與其假設條件不符，結果存在很大風險。2)采用彈性動力時程分析法作補充計算，并且注意彈性動力時程分析時應嚴格按照高規(guī)和抗規(guī)的有關規(guī)定執(zhí)行。3)彈塑性計算的分析應以混凝土構件的實際配筋、型鋼和鋼構件的實際截面規(guī)格為基礎，不應以估算的配筋和鋼構件代替。4)彈塑性時程分析宜采用雙向或三向地震輸入，計算結果宜取多組波計算結果的包絡值。

2.4 加強抗震措施、抗震構造措施的設計

1)要保證多道防線的需求。要搞清楚框架與墻體、筒體雙重抗側力的各類結構中，框架部分承擔的地震剪力的比例，在規(guī)范規(guī)定的基礎上適當增加。但應注意框架所承擔的地震剪力或者框架所承擔的傾覆彎矩又不宜過大，以避免出現(xiàn)框架和墻體、筒體一起形成第一道防線。2)對于超高時，應明確豎向不規(guī)則和水平向不規(guī)則的程度。3)當樓板局部開洞大于規(guī)范規(guī)定的30%要求時，應對樓板進行工況分析，對內(nèi)力較大的區(qū)域采取了局部構造加強，采用雙向配筋，按中震不屈服應力分析結果對配筋進行調整。4)主樓與裙房間應設置抗震縫，且縫寬應適當加大。5)對于轉換層應嚴格控制上下剛度比；墻體通過次梁轉換和柱頂墻體開洞，應有針對性的加強措施。6)水平加強層的設計數(shù)量、位置、結構形式，應認真分析比較；伸臂的構件內(nèi)力計算宜采用彈性膜樓板假設，上下弦桿應貫通核心筒墻體，墻體在伸臂斜腹桿的節(jié)點處應采取措施避免應力集中導致破壞。7)多塔、連體、錯層等復雜體型的結構，應盡量減少不規(guī)則的類型和不規(guī)則的程度；應注意分別采取相應的加強措施。8)對于出屋面結構和裝飾結構自身較高或體型相對復雜時，應參與整體結構分析，材料不同時還需適當考慮阻尼比不同的影響，尤其是出屋頂較高的混凝土或鋼構架，應注意其在地震作用下的鞭鞘效應的影響。

3 超限高層的結構設計中應注意的內(nèi)容和要點

3.1 技術參數(shù)

對計算結果應嚴格按照高規(guī)和抗規(guī)的有關規(guī)定進行認真分析比對，如軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期比、剛重比、有效質量比、受剪承載力比、樓層質量比，同時應關注地震影響系數(shù)、場地卓越周期、地震波、樓層最小剪力系數(shù)等。

3.2 框架剪力的分擔率

框架—剪力墻結構，框架—核心筒結構，均屬雙重抗側力結構體系，第一道防線剪力墻(筒體)，第二道防線框架，在強震作用下墻筒可能損壞，內(nèi)力重分布，框架會承擔較大地震作用，建筑物越高，越不易滿足要求，經(jīng)力學分析在地震作用下，框架分擔剪力為下小上大，應加以重視，超限高層建筑中，框架部分按剛度分配到樓層剪力標準值的最大值，不宜小于基底剪力的10%，常難以滿足，故應增大梁的高度和設置剛域而提高框架剪力占的比例，考慮當前我國經(jīng)濟條件，框筒結構可適當放寬。

總之，隨著超限高層設計的不斷增多，抗震計算、性能化設計及抗震構造措施也需隨我們的工程實踐不斷的總結經(jīng)驗，才能使我們的每一項工程項目設計的更加安全、經(jīng)濟和合理，減少遺憾。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3] 晉建質字[2011]，山西省抗震設防超限高層建筑工程界定規(guī)定[Z].

On structural design for super-high-rise buildings

Yang Fuping

(Taiyuan Architectural Design and Research Institute, Taiyuan 030002, China)

Combining with the engineering cases, the paper analyzes the improvement measures in the design for the super-high-rise buildings, illustrates the basic principles for the super-high-rise building from the fortification aims, seismic performance and design, seismic calculation, and sums up the precautions in the design, so as to ensure the safety of the architectural structures.

super-high-rise building, structural design, seismic performance, shearing wall

1009-6825(2016)30-0063-02

2016-08-17

楊福平(1960- )，男，工程師

TU973

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