退臺式收進(jìn)體型超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 偉

（山西四建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024）

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加深及城市土地資源的日益緊缺，城市中出現(xiàn)了越來越多的超高層建筑，而其中有很多都屬于退臺式收進(jìn)體型超高層建筑，故而對這類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究成為了業(yè)內(nèi)重點(diǎn)課題。目前我國在退臺式收進(jìn)體型超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)擁有了一些研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這給其實(shí)際設(shè)計(jì)工作帶來了不小的助益。

1 相關(guān)概念簡介

1.1 超高層建筑

超高層建筑顧名思義是指在一般高層建筑的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種高度更高、層數(shù)更多的建筑。目前在我國對超高層建筑的標(biāo)準(zhǔn)中，是將樓層數(shù)＞40 層或建筑高度＞100m 的建筑物納入超高層建筑的范疇。

1.2 退臺式建筑

退臺式建筑又稱臺階式建筑，因?yàn)檫@類建筑的外形類似于臺階。退臺式建筑最主要的特點(diǎn)是建筑面積由底層向上層逐層減小，在下層多出的面積遠(yuǎn)超過一般凸出或凹進(jìn)的陽臺面積，并形成上層的一個(gè)大平臺。退臺式建筑具有屋外活動空間大、采光和通風(fēng)良好等優(yōu)點(diǎn)，但也有占地較大、建筑容積率減少的缺陷。

1.3 收進(jìn)體型結(jié)構(gòu)

收進(jìn)體型結(jié)構(gòu)是不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的一種常見類型，其主要具有抗震性能良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于收進(jìn)體型結(jié)構(gòu)容易引起構(gòu)件內(nèi)力、位移不規(guī)則變化等問題，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)把握好其與側(cè)向剛度不規(guī)則之間的關(guān)系，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 退臺式收進(jìn)體型超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

2.1 外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

1.1、雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

站在結(jié)構(gòu)受力的角度上而言，雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式最為合理。雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的特點(diǎn)是在退臺以下的樓層平面上具有2 排立柱且后面的外圍立柱可下延至基礎(chǔ)底板。在退臺尺寸較大的情況下，雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的應(yīng)用比較普遍。應(yīng)用雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式可以避免豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換，從而使樓面荷載通過最直接的方式（樓板→樓面梁→外框柱→基礎(chǔ)）來傳遞。但由于在退臺以下樓層平面中增設(shè)了1 排立柱，因此雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式可能會一定程度地影響到建筑使用功能。

1.2、斜柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

斜柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的特點(diǎn)是由斜柱連接退臺前和退臺后的外圍立柱，所以其外框柱的豎向傳力較直接。在退臺尺寸較大的情況下，斜柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的應(yīng)用也比較普遍。不過，由于斜柱會引起轉(zhuǎn)折部位形成水平分力，所以需合理設(shè)計(jì)斜柱的斜率（以1：10-1：4 為宜）。建筑功能和空間布置也會受斜柱影響，斜率越小，則受影響的樓層數(shù)越多。

1.3、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的特點(diǎn)是利用一些轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)換桁架、轉(zhuǎn)換梁等）來實(shí)現(xiàn)上部立柱的荷載向核心筒和下部外框柱的傳遞。對于轉(zhuǎn)換層部分來說，受轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的影響較大，而非轉(zhuǎn)換層部分一般不受影響。

1.4、搭接柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

搭接柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的特點(diǎn)是通過搭接柱的形式與外圍豎向構(gòu)件進(jìn)行連接。一般在退臺尺寸較小且上、下外框柱之間的距離也不大的情況下，常會應(yīng)用搭接柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式，其優(yōu)點(diǎn)是對建筑的影響較小。

1.5、懸挑梁式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

在退臺尺寸較小的情況下，可選擇應(yīng)用懸挑梁式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式。懸挑梁式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的特點(diǎn)是分別將上、下部外框柱設(shè)置在樓板邊緣附近和樓板內(nèi)部，保持連續(xù)。

1.6、不同外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式之間的比較

首先，在豎向傳力方面：雙柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式和懸挑梁式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式不會改變結(jié)構(gòu)的豎向傳力路徑、收進(jìn)處的構(gòu)件不會產(chǎn)生附加內(nèi)力；斜柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式可保持外框柱的豎向傳力路徑不變，但會造成在斜柱轉(zhuǎn)折樓層出現(xiàn)兩個(gè)較大的水平力，需對轉(zhuǎn)折處的水平構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)；轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式容易改變結(jié)構(gòu)的豎向傳力路徑，造成豎向荷載傳力路徑過長；搭接柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式可保證在豎向上直接傳力，但會在搭接段產(chǎn)生附加偏心彎矩。其次，在抗側(cè)剛度方面：斜柱式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式的抗側(cè)剛度較大，其抗側(cè)能力與傾斜角度成正比；轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)式外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式可顯著提高退臺處的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，并在核心筒內(nèi)產(chǎn)生較大的附加剪力和彎矩；其它外框結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式對抗側(cè)剛度的影響均較小。

2.2 核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式

常見的核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式有雙翼墻收進(jìn)式核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式、按區(qū)格收進(jìn)式核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式、斜墻收進(jìn)式核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式、墻體轉(zhuǎn)換收進(jìn)式核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式等，且前三者均為墻體直接傳力。核心筒結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式會造成在收進(jìn)樓層及相鄰樓層出現(xiàn)應(yīng)力集中，因?yàn)槭者M(jìn)處的墻體截面會發(fā)生突變。若想減小應(yīng)力集中，可在收進(jìn)處采用斜墻過渡。

3 由退臺引起的偏心效應(yīng)分析

3.1 傾覆力矩

由于在收進(jìn)處質(zhì)心與豎向構(gòu)件形心會出現(xiàn)偏心，所以會大大增加傾覆力矩（與由水平荷載引起的傾覆力矩相同）。受結(jié)構(gòu)重量大的影響，一旦收進(jìn)尺寸較大就會造成較大的偏心，進(jìn)而引起較大的傾覆力矩，周邊豎向構(gòu)件承載的軸力因此而發(fā)生失衡。

3.2 水平變形

傾覆力矩會直接影響到豎向荷載作用下樓層位移的變化，且兩者呈正向相關(guān)，當(dāng)傾覆力矩較大時(shí)變形程度也會變大。層間位移角的變化跟結(jié)構(gòu)體系也具有相關(guān)性，加強(qiáng)層處的層間位移角曲線往往會呈明顯的收進(jìn)。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意偏心引起的水平變形問題。

4 退臺處剛度突變及對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

以某項(xiàng)目的T1 塔樓為例，其初步設(shè)計(jì)為核心筒收進(jìn)在30 層退臺處集中，核心筒截面與外框柱截面于30 層開始逐漸減小，結(jié)構(gòu)層間位移角曲線會受水平荷載的作用而在30 層處發(fā)生較大的突變，由此可見結(jié)構(gòu)在退臺處具有較大的剛度突變。為此，在設(shè)計(jì)中需將原本30 層的X 向收進(jìn)延伸至35 層以避開加強(qiáng)層和集中收進(jìn)區(qū)域、使豎向構(gòu)件的截面避開加強(qiáng)層和集中收進(jìn)區(qū)域、適當(dāng)減小收進(jìn)墻體的尺寸并對墻體開洞，以減少其剛度突變，改善30 層處層間位移角突變，提高剛度分布的均勻性。當(dāng)碰到罕遇地震作用情況時(shí)，對30 層退臺處各組地震波的時(shí)程分析結(jié)果均呈現(xiàn)出了顯著突變，且這也是核心筒墻體損傷較嚴(yán)重（損傷因子＞0.3）的地方。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)按照薄弱層的標(biāo)準(zhǔn)對退臺處樓層進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其地震作用放大至少1.25 倍。另外，還要基于科學(xué)的彈塑性時(shí)程分析結(jié)果，合理在收進(jìn)處墻體內(nèi)使用型鋼及適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)配筋，這樣才能夠確保當(dāng)碰到罕遇地震作用情況時(shí)，核心筒具有足夠的抗震性能。

5 結(jié)語：

綜上所述，退臺式收進(jìn)體型超高層建筑結(jié)構(gòu)集超高層建筑、退臺式建筑及收進(jìn)體型結(jié)構(gòu)等的特點(diǎn)于一體，是一種非常特殊的建筑結(jié)構(gòu)形式，所以在其的設(shè)計(jì)過程中，需要把握的重難點(diǎn)及注意的問題較多。特別是由于結(jié)構(gòu)受力的特殊性，在退臺式收進(jìn)體型超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要合理選擇結(jié)構(gòu)收進(jìn)方式，并最大限度地減小偏心不利效應(yīng)及剛度突變，以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。