楊 福 平

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

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談超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 福 平

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

結(jié)合工程實(shí)例，分析了超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需采取的加強(qiáng)措施，從設(shè)防目標(biāo)、抗震性能設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算等方面，闡述了超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，并總結(jié)了設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，旨在保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

超限高層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗震性能，剪力墻

近年來隨著太原市經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)的太原湖濱國(guó)際廣場(chǎng)(高208 m)、茂業(yè)天地(高216.1 m)、萬達(dá)廣場(chǎng)(高178.4 m)等超高層建筑。無論是從它的建筑消防設(shè)計(jì)還是結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)以及機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)，都具有一定的復(fù)雜性、特殊性并引起大家的關(guān)注，依據(jù)國(guó)家建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，參考山西省部分超限建筑工程送審報(bào)告，下面就我院設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行了歸納總結(jié)，供大家參考，不妥之處請(qǐng)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(shè)有抗震縫，縫寬按中震作用下的位移計(jì)算確定為200 mm,結(jié)構(gòu)從地面以上完全斷開，形成各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)層層高為3.8 m，20層，38層設(shè)置避難層，避難層層高為5.5 m。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁+承臺(tái)梁或筏板基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。2)超限情況。按照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，該工程高度209.8 m,屬于B級(jí)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(zhuǎn)位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則超限。3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施。根據(jù)以上的超限情況在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取以下措施：a.針對(duì)B級(jí)高度超限，加強(qiáng)5層頂部及突出屋面電梯機(jī)房的豎向構(gòu)件延性，配筋量比計(jì)算提高10%；b.對(duì)底部加強(qiáng)部位為4層(高于1/10×H=20.8 m)；c.框架和筒體按一級(jí)抗震構(gòu)造措施處理；d.軸壓比控制：對(duì)剪力墻在底部加強(qiáng)部位控制在0.45；e.其他構(gòu)件構(gòu)造配筋加大；f.對(duì)于樓板進(jìn)行了工況分析，對(duì)內(nèi)力較大的區(qū)域采取了局部構(gòu)造加強(qiáng)。

1.2 萬達(dá)廣場(chǎng)商業(yè)寫字樓

1)工程概況。該工程由太原萬達(dá)廣場(chǎng)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(jí)超高層建筑，裙房總高度為26.10 m。該項(xiàng)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(shè)置有抗震縫，縫寬為200 mm,形成各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)是二級(jí)。

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

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施。a.底部加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)頂部5層框架柱，配筋量比計(jì)算提高10%；c.抗震等級(jí)：底部框架和筒體按特一級(jí)抗震構(gòu)造措施處理；d.軸壓比控制：對(duì)剪力墻在底部加強(qiáng)部位控制在0.5，對(duì)框架柱在底部加強(qiáng)部位控制在0.7；e.剪力墻軸壓比超過0.25時(shí)，應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件；f.加強(qiáng)各種構(gòu)造配筋；g.對(duì)于樓板進(jìn)行了工況分析，對(duì)內(nèi)力較大的區(qū)域采取了局部構(gòu)造加強(qiáng)，采用雙向配筋，按中震不屈服應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)配筋進(jìn)行調(diào)整。

1.3 中鐵三局科技研發(fā)中心

1)工程概況。該項(xiàng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)均為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，第12層，25層為加強(qiáng)層，整樓層設(shè)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(jí)高度；首層頂板開洞約為30.5%；第36層頂板開洞約35.6%。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施。在設(shè)計(jì)中除了在整樓層增加設(shè)置伸臂桁架及角部懸臂桁架外，其他結(jié)構(gòu)采取的加強(qiáng)措施基本思路和做法同以上的兩個(gè)案例，在此就不再重復(fù)敘述。

2 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

2.1 設(shè)防目標(biāo)及方法

我國(guó)GBJ 11—89建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)防目標(biāo)及設(shè)計(jì)方法為“三水準(zhǔn)，兩階段”，三水準(zhǔn)即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

兩階段：第一階段為彈性設(shè)計(jì)階段。即通過采用振型分解彈性反應(yīng)譜理論去求地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)(其中包括內(nèi)力和變形)，并按照建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)的基本原則和方法，考慮概念設(shè)計(jì)中要求的各種放大系數(shù)進(jìn)行構(gòu)件的抗震承載力計(jì)算，同時(shí)采用各種抗震措施(包括抗震構(gòu)造措施)，以求得能滿足第二水準(zhǔn)(中震)和第三水準(zhǔn)(大震)的相關(guān)要求。第二階段是彈塑性設(shè)計(jì)階段。要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算。這時(shí)結(jié)構(gòu)薄弱部位的最大層間位移角應(yīng)滿足要求。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的基本原則

使所有的工程結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用年限內(nèi)，在不同強(qiáng)度水平(或稱強(qiáng)度水準(zhǔn))的地震作用下，達(dá)到預(yù)定的不同的性能目標(biāo)，就是以抗震性能目標(biāo)為基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)。

主要特點(diǎn)就是：使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡，業(yè)主(或設(shè)計(jì)者)可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限、工程所在地區(qū)的設(shè)防烈度、場(chǎng)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(jì)實(shí)力、房屋建筑的重要性等去選擇所需要的性能目標(biāo)，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)做深入的分析，保證超限建筑工程的實(shí)現(xiàn)。

2.3 抗震設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)選擇合理的計(jì)算軟件

1)按照規(guī)定對(duì)超高層結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上經(jīng)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)認(rèn)定的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行整體內(nèi)力和位移分析計(jì)算。國(guó)內(nèi)目前可采用的有SATWE，SPA2000，盈建科，MIDAS/GEN，ETABS，ABAQUS等。我們?cè)谑褂脮r(shí)，一定把軟件所需要的技術(shù)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(jì)算分析軟件，功能強(qiáng)大，但不是萬能的，如果我們所計(jì)算的建筑工程與其假設(shè)條件不符，結(jié)果存在很大風(fēng)險(xiǎn)。2)采用彈性動(dòng)力時(shí)程分析法作補(bǔ)充計(jì)算，并且注意彈性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照高規(guī)和抗規(guī)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。3)彈塑性計(jì)算的分析應(yīng)以混凝土構(gòu)件的實(shí)際配筋、型鋼和鋼構(gòu)件的實(shí)際截面規(guī)格為基礎(chǔ)，不應(yīng)以估算的配筋和鋼構(gòu)件代替。4)彈塑性時(shí)程分析宜采用雙向或三向地震輸入，計(jì)算結(jié)果宜取多組波計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。

2.4 加強(qiáng)抗震措施、抗震構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)

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(cè)力的各類結(jié)構(gòu)中，框架部分承擔(dān)的地震剪力的比例，在規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加。但應(yīng)注意框架所承擔(dān)的地震剪力或者框架所承擔(dān)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(duì)于超高時(shí)，應(yīng)明確豎向不規(guī)則和水平向不規(guī)則的程度。3)當(dāng)樓板局部開洞大于規(guī)范規(guī)定的30%要求時(shí)，應(yīng)對(duì)樓板進(jìn)行工況分析，對(duì)內(nèi)力較大的區(qū)域采取了局部構(gòu)造加強(qiáng)，采用雙向配筋，按中震不屈服應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)配筋進(jìn)行調(diào)整。4)主樓與裙房間應(yīng)設(shè)置抗震縫，且縫寬應(yīng)適當(dāng)加大。5)對(duì)于轉(zhuǎn)換層應(yīng)嚴(yán)格控制上下剛度比；墻體通過次梁轉(zhuǎn)換和柱頂墻體開洞，應(yīng)有針對(duì)性的加強(qiáng)措施。6)水平加強(qiáng)層的設(shè)計(jì)數(shù)量、位置、結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)認(rèn)真分析比較；伸臂的構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算宜采用彈性膜樓板假設(shè)，上下弦桿應(yīng)貫通核心筒墻體，墻體在伸臂斜腹桿的節(jié)點(diǎn)處應(yīng)采取措施避免應(yīng)力集中導(dǎo)致破壞。7)多塔、連體、錯(cuò)層等復(fù)雜體型的結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量減少不規(guī)則的類型和不規(guī)則的程度；應(yīng)注意分別采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。8)對(duì)于出屋面結(jié)構(gòu)和裝飾結(jié)構(gòu)自身較高或體型相對(duì)復(fù)雜時(shí)，應(yīng)參與整體結(jié)構(gòu)分析，材料不同時(shí)還需適當(dāng)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(gòu)架，應(yīng)注意其在地震作用下的鞭鞘效應(yīng)的影響。

3 超限高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的內(nèi)容和要點(diǎn)

3.1 技術(shù)參數(shù)

對(duì)計(jì)算結(jié)果應(yīng)嚴(yán)格按照高規(guī)和抗規(guī)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行認(rèn)真分析比對(duì)，如軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期比、剛重比、有效質(zhì)量比、受剪承載力比、樓層質(zhì)量比，同時(shí)應(yīng)關(guān)注地震影響系數(shù)、場(chǎng)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(dān)率

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，框架—核心筒結(jié)構(gòu)，均屬雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，第一道防線剪力墻(筒體)，第二道防線框架，在強(qiáng)震作用下墻筒可能損壞，內(nèi)力重分布，框架會(huì)承擔(dān)較大地震作用，建筑物越高，越不易滿足要求，經(jīng)力學(xué)分析在地震作用下，框架分擔(dān)剪力為下小上大，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值的最大值，不宜小于基底剪力的10%，常難以滿足，故應(yīng)增大梁的高度和設(shè)置剛域而提高框架剪力占的比例，考慮當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)條件，框筒結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬。

總之，隨著超限高層設(shè)計(jì)的不斷增多，抗震計(jì)算、性能化設(shè)計(jì)及抗震構(gòu)造措施也需隨我們的工程實(shí)踐不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能使我們的每一項(xiàng)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的更加安全、經(jīng)濟(jì)和合理，減少遺憾。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 晉建質(zhì)字[2011]，山西省抗震設(shè)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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