超高层建筑结构设计探讨

超高层建筑结构设计探讨

潘志恒

碧桂园海外设计院

摘要：随着我国经济的发展，各类高层、超高层建筑拔地而起，同时平、立面情况日益复杂及结构形式的多样化，如何确保结构的安全稳定性是每一位结构工程师所关注的问题之一。本文根据工程案例，对超高层建筑的基础选型、结构布置、结构计算分析、构造措施进行探讨，供同行借鉴参考。

关键词：超限高层；结构设计；抗震计算

一、工程概况

某超高层建筑地上46层，地下4层，高度为175.1m，建筑物抗震设防烈度7度（0.10g），类别为丙类，抗震性能目标为C级。本工程设计使用年限50年，地基基础设计等级为甲级，塔楼首层采用转换部分框支一剪.力墙结构体系。

二、结构的超限类型

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（2015年版）、《广东省超限层筑工程抗震专项审查实施细则》（2016年版），工程的超限情况如下：结构类型符合现行规范的适用范围，高度超过“广东省超限审查细则表一”规定限值，属于超B级高度；存在“广东省超限审查细则表二”所列不规则项的“扭转不规则、楼板不连续、竖向构件不连续”等2.5项不规则，不规则项小于3项，不超限；存在“广东省超限审查细则表四”所列不规则项0项。综上所述：该项目属于超B级高度的超限高层建筑。

三、建筑结构布置

根据建筑物的总高度、抗震设防烈度、建筑的用途等情况，部分结构竖向构件不能上下贯通，本工程采用部分框支剪力墙体系，在二层楼面进行转换，由此保证上部剪力墙能符合住宅户型布置，同时兼顾下部裙楼、地下室的商业及停车场功能设置。转换层布置图如下图1所示：

图l转换层结构布置平面图

本项目设有四层地下室，根据建筑功能使用、防水要求，地下室不设缝；在塔楼区域南北两侧各设置一条沉降后浇带，并在塔楼范围外，东西侧各增设一条后浇带，同时拟采取相应的构造措施和施工措施，以减少由于混凝土后期收缩及温度效应引起的混凝土构件可见裂缝的产生。

四、结构计算分析

由于本工程为超限高层建筑，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.1.12条规定，将采用两个不同力学模型的空间分析程序进行计算分析，选用北京盈建科软件有限责任公司编制的YJK软件（1.8版）和北京迈达斯有限公司编制的建筑结构设计软件MIDASBUILDING（2014版）。塔楼主要计算结果汇总如下：

根据上述计算结果，结合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）的要求及结构抗震概念设计理论，根据模型的计算分析可以得出如下结论：（1）第一扭转周期与第一平动周期比小于0.85，满足《高规》3.4.5条要求。（2）X方向剪重比有13层，Y方向剪重比有1层不满足《高规》第4.3.12条要求，需要进行剪力调整。（3）有效质量系数大于90%，所取振型数足够。（4）在风荷载和地震作用下，所有楼层层间位移角均小于规定限值1/533。（5）在偶然偏心地震荷载作用下，按规定水平力算得的最大扭转位移小于1.30，不属于扭转不规则结构。（6）结构侧向刚度比满足《高规》3.5.2-1条：框架结构，楼层与相邻上层侧向刚度比值均大于90%；对结构底部嵌固层，该比值不小于150%。（7）樓层层间抗侧力结构的受剪承载力，所有楼层均大于其上一层受剪承载力的75%，满足《高规》第3.5.3条楼层承载力均匀性要求。（8）结构刚重比D/（G/h）大于1.4，小于2.7，能够通过《高规》第5.4.4条的整体稳定验算，但需考虑重力二阶效应的影响。（9）整体结构的舒适度验算满足《高规》3.7.6关于结构顶点最大加速度限值的要求。（10）墙、柱的轴压比均符合《高规》第6.4.2条的要求。

由于YJK、MIDAS软件的墙体的竖向剖分、弹性板单元剖分及其参与计算等方面不同，使得它们计算的楼层刚度有一定的差别，此外，两个软件关于倾覆弯矩的计算方法的不一致，也会使得倾覆弯矩的计算结果有较大差异，总体而言，计算结果基本接近，计算模型比较符合结构的实际工作状况。

五、计算措施

该项目分别采用多个空间结构分析程序YJK、MIDASBUILDING等进行计算对比，验算时考虑扭转耦联、偶然偏心和双向地震的影响；按规范要求，选用2组天然地震波和1组场地人工波，对结构作弹性时程分析，并将结果与反应谱分析结果相比较。对关键构件框支框架和底部加强区剪力墙进行中震及大震验算，了解其抗震性能，并采取相应加强措施。采用MIDASGEN软件对结构进行温度内力分析，楼板应力分析；并采用XTRACT软件进行构件截面承载力验算。采用ABAQUS软件对关键节点进行了有限元分析。针对超限情况，对结构进行罕遇地震下的弹塑性分析，以确定结构能否满足第二阶段抗震设防水准要求，并对薄弱构件制定相应的加强措施。

六、构造措施

该工程属于超B级高度的高层建筑，框支柱和剪力墙是主要的抗侧力构件，设计中通过提高框支框架及底部剪力墙墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。（1）对于剪力墙，其底部加强区满足“中震抗弯弹性、抗剪弹性，大震抗弯抗剪不屈服”的要求，设计时按特一级抗震等级要求，并参考设防烈度地震下计算结果配置剪力墙竖向钢筋，通过提高约束边缘构件的配筋率（大于1.6%）、底部加强区剪力墙竖向分布筋配筋率（大于0.6%）等措施提高第一道防线的承载能力。同时底部加强区剪力墙轴压比限值按0.4控制。（2）框支框架按“中震抗弯弹性、抗剪弹性”进行性能设计，设计时按特一级抗震等级要求，另外，框支柱、框支梁内置型钢，增加结构延性，其中根据节点有限元分析，将悬挑转换梁的型钢钢号提高到0390。同时框支柱轴压比限值按0.5控制。（3）首层部分剪力较大以及出现拉力的墙体采用钢板剪力墙，墙柱纵筋采用机械连接。

考虑横风效应的影响，风荷载承载力计算时，风压在1.1倍的基础上在放大1.05倍即按0.58kN/m2采用。加强一字形剪力墙暗柱配筋，适当增加10%～15%。本工程存在楼板不连续的不规则情况，故对楼板进行弹性楼板应力分析，并根据计算结果对楼板边缘、开洞转角等应力集中的地方进行加强。

七、结束语

综上所述，本工程是超B级高度建筑物，在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标。并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性工作外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明，各项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。结构是可行且安全的。

参考文献

[1]方娇.某超限高层基于性能的抗震设计研究[D].合肥工业大学，2012.

[2]关建强.某超限高层建筑的动力反应与结构分析[D].浙江大学，2012.