某超高层框剪结构设计

某超高层框剪结构设计

杨帆

武汉天华华中建筑设计有限公司，湖北 武汉 430015

摘要：基于城市土地集约化利用需求以及新结构体系发展，超高层建筑结构获得迅速发展，且在层数、高度方面不断突破，无论是民住、商用还是工业领域均推广开来。本文首先针对超高层建筑的发展情况展开分析，其后探讨了超高层建筑常见结构体系，结合实际案例分析某超高层框剪结构设计情况，希望可提供相关设计经验以供参考

关键词：超限高层结构；框架-剪力墙结构；弹性时程分析

引言

现代城市发展过程中，超高层建筑数量迅速增加，其可有效提高土地利用率，同时凭借着高耸的体形、突岀的视觉效果成为区域地标性建筑,在一定程度上反映了城市建设水平。基于超高层建筑在高度、体型方面的特殊性，结构设计难度大、要求高，为保证建筑安全可靠运行,必须加强结构设计工作相关分析。本项目为超高层住宅，框剪结构，地上46层，房屋高度为148.65m。一般板式高层住宅多采用剪力墙结构，本项目则采用框剪结构，属超B级高度超限建筑。设计采用ETABS、SATWE程序进行计算对比分析，并采取相应的抗震构造加强措施，使结构具有较好的抗震性能，以满足现行规范各项抗震设防设计要求。该项目针对超限结构采取的抗震分析方法及构造加强措施，可供类似超限高层结构设计参考。

1超高层建筑发展概述

基于现代城市的快速发展,城市人口数量剧增,但土地资源有限，造成人们的居住空间受到极大限制。为了最大化利用建筑空间,高层建筑日益增多。世界上第一座超高层建筑是美国纽约曼哈顿人寿大厦，建筑高度为106层，距今高层建筑发展历史已有120多年。高层建筑建设工程增加，相关理论逐渐完善，人们也逐渐适应了在超高层建筑中工作生活。尤其是随着我国经济的快速发展,各大城市开始成为超高层建筑的建设主力军，数量、高度均在增加，不断打破世界最高建筑记录。据统计，截至2020年全球高度在350m以上的建筑物共计72座，其中我国大陆共计有31座，数量居于世界首位，其中，上海中心大厦632m（128层）、天津高银金融117大厦597m（117层）。从超高层建筑的发展情况来看,除了建筑高度的增加,其也越来越追求造型异性化,这必然会造成建筑物结构自身柔度变大、阻尼变低、质量变轻,相应的为保证建筑物安全运行，对其结构设计提岀更高的要求。

2工程概述

地上46层，框剪结构，剪力墙、框架抗震等级一级。上部结构嵌固端取在地下室顶板。主楼竖向规则，无突变。抗震设防类别丙类，设防烈度7度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值0.15g，特征周期0.45s，场地类别Ⅱ类。主楼基础采用人工挖孔灌注桩基础，桩端持力层为中风化花岗岩层。

3地震作用

结构抗震计算采用振型分解反应谱法计算，并考虑扭转对结构的影响，地震作用分别考虑双向地震作用和质量偶然偏心的不利影响，取二者不利值作为结构设计的依据。承载力设计以反应谱和时程分析包络值两者之不利效应进行设计验算。中震和大震计算时，采用抗规反应谱进行验算。小震作用下，当周期小于约3s时，安评提供的地震影响系数较大；反之，规范较大。中震和大震作用下，当周期小于约3.5s时，安评提供的地震影响系数较大；反之，规范较大。

4抗震超限情况

根据要点及抗规规定，本项目的超限情况有：（1）高度超限：结构高度148.65m，大于140m（B级），超B级高度。（2）凹凸不规则：高宽比6.74，大于6；平面外凸尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%。（3）扭转不规则：在规定水平力作用下，楼层最大水平位移（层间位移）与平均值的比值为1.241（ETABS）、1.251（SATWE），大于1.2。

5弹性分析计算结果

设计以ETABS为主要计算分析软件，同时采用SATWE对ETABS分析结果进行校核。分析时，均采用振型分解反应谱法计算地震作用，并考虑了偶然偏心及双向地震作用；采用CQC法进行振型组合，采用抗规方法计算双向地震作用。

5.1周期与有效质量系数

第一振型为X向平动，第二振型为Y向平动，第三振型为扭转振型。SATWE和ETABS的结构周期计算结果表明，结构扭转为主的Tf与平动为主的T1的比值均小于高规规定的0.85。计算结果均符合抗规规定

5.2结构总质量及整体稳定计算

SATWE和ETABS的刚重比计算结果表明，本工程满足高规规定的整体稳定要求。

5.3楼层剪重比

计算结果表明，地震剪力与重力荷载代表值之比，均符合抗规规定。

5.4层间位移角与位移比

弹性层间位移的计算结果表明层间最大位移与层高的比值均符合高规规定。计算结果表明，X向的位移比均小于1.2，Y向的最大扭转位移比大于1.2，但不大于1.4，符合高规规定。

5.5楼层侧刚比与受剪承载力

楼层侧刚比按地震剪力与层间位移比算法计算。计算结果表明，各楼层与其相邻上层侧向刚度的比值均≥1，符合高规规定。受剪承载力的计算结果表明，各楼层抗侧力结构的受剪承载力与其上一层受剪承载力比值最小值的比值均≥0.75，符合高规规定。

5.6框架承担的水平地震剪力

计算结果表明，经调整后的框架承担的水平地震剪力符合高规规定。

5.7框架承担的总地震倾覆弯矩

小震作用下，ETABS计算的框架承担的总地震倾覆弯矩X向为42.9%，Y向为10.9%；SATWE计算的框架承担的总地震倾覆弯矩X向为45.6%，Y向为10.1%。符合高规对框剪结构的规定。

5.8小结

以上考虑小震作用的弹性计算分析结果表明，本工程各项指标均能满足相关规范的有关要求，能达到小震作用下“结构处于弹性状态，各构件无损伤、完好”的第一阶段的抗震性能目标。

6针对超限情况采取的加强措施

主体结构采用ETABS模型进行分析设计，并采用SATWE对ETABS模型的整体计算结果进行校核。此外，还采取以下加强措施：

（1）底部加强区的框架、剪力墙以及中震下小偏心受拉的竖向构件抗震等级按特一级，特一级的框架柱、剪力墙端柱加设型钢。

（2）中震作用下，底部加强部位的剪力墙承载力按抗剪弹性、抗弯不屈服设计，框架柱按抗剪、抗弯弹性设计。

（3）对重要部位的连梁配置钢板，以加强其抗剪性能，实现“强剪弱弯”。

（4）适当增加落地剪力墙的配筋，提高剪力墙暗柱及墙身的配筋率，保证大震作用下剪力墙延性良好，不产生剪切破坏。

某高层住宅属超B级高度超限建筑，通过计算分析和采取相应的抗震构造加强措施，基本保证了结构具有较好的抗震性能，满足抗震设防要求。该项目针对超限结构采取的抗震分析方法、计算手段及构造加强措施，可供类似超限高层结构设计参考。

参考文献：

[1]钱钧珑.某超限建筑结构抗震设计[J].居舍,2017(31):79.

[2]汪大绥，包联进.我国超高层建筑结构发展与展望[J].建筑结构,2019(19):11~24.

[3]初莎莎.高层建筑结构设计难点分析[J].黑龙江科学,2019(4)：66~67.

[4]田少华.复杂高层与超高层建筑结构设计要点研究[J].工程技术研究,2019(13):173~174.

[5]张良平，杨文参.某超高层建筑结构设计中几个关键问题的思考[J].建筑结构,2019(7)：56~59+55

[6]赵伟，付国忠,谭光宇，刘小辉，肖志，唐波.长沙某框架核心筒超高层建筑结构设计[J].建筑结构,2019(S1)：16~21.

[7]张良平,杨文参.某超高层建筑结构设计中几个关键问题的思考[J].建筑结构,2019(7)：56~59+55.