淺析超限建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題分析

摘要：隨著建筑物的高度不斷增高，使用功能的不斷復(fù)雜化要求的不斷標(biāo)新立異，超高建筑的布置、形態(tài)和性能日趨復(fù)雜，文章結(jié)合實(shí)例，對(duì)超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：超限結(jié)構(gòu)；高層；建筑；計(jì)算

1.工程概況

某超高層住宅，建筑總面積228118m2，其中，地上總建筑面積163000m2，地上總架空建筑面積4735m2，地下總建筑面積60383m2，該項(xiàng)目由9棟48層近150m的超高層住宅組合而成。該建筑層數(shù)為：地下二層（層高3.9m），地面以上40 層，建筑總高度為121.2m。一層局部架空層高為6.0m，以上各標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3.0m。本工程屬于B級(jí)高度的超限高層建筑。

2.設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 設(shè)計(jì)荷載

本工程結(jié)構(gòu)荷載取值均采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50009-2001）（2006 年版）。主要用房的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值如下（單位：kN/m2）：①客廳、臥室：2.0；②陽臺(tái)，露臺(tái)：2.5；上人屋面：2.0；不上人屋面：0.5；③消防樓梯：3.5。

2.2 風(fēng)荷載

本工程基本風(fēng)壓按照100 年重現(xiàn)期取值，為0.95kN/m2，地面粗糙度為A 類，考慮到此項(xiàng)目為群集的高層建筑且間距較近易產(chǎn)生風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.2.7 條，現(xiàn)加大風(fēng)荷載取值，體型系數(shù)取值為1.5。

2.3 地震作用

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35s。水平地震影響系數(shù)最大值采用0.12（多遇地震）。用反映普法計(jì)算地震作用時(shí)，采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）（2008 版）第5.1.5條規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線，結(jié)構(gòu)阻尼比取值0.05，設(shè)計(jì)同時(shí)考慮偶然偏心及雙向地震對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響作用。

彈性時(shí)程分析所取的地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為：55.000（cm/s2）。

本工程根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223—2008）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001），抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（簡(jiǎn)稱丙類），建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震等級(jí)：地下室頂板以上的框架及剪力墻均為一級(jí)；地下負(fù)一層框架與剪力墻均為一級(jí)，地下負(fù)二層框架與剪力墻為三級(jí)。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，因地下負(fù)一層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大于地上一層側(cè)向剛度2 倍以上，能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.1.14條的設(shè)計(jì)要求，故將地下室頂板按嵌固部位考慮。

3.結(jié)構(gòu)體系布置及超限情況說明

根據(jù)本工程的建筑功能、平面布局、建筑立面造型以及建筑高度的情況，并依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2006]220 號(hào)）及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2002）的超限審查，該結(jié)構(gòu)需要主要解決以下幾個(gè)問題：①建筑總高度為121.2m，屬于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2002）中規(guī)定的B 級(jí)高度的高層建筑，抗側(cè)力體系必須具有較高的剛度用以抵抗水平風(fēng)荷載及其地震作用；②平面布置不規(guī)則，夾層樓板開洞率約為50%，超過規(guī)范要求的30% 的限值，局部樓板不連續(xù)；③建筑立面變化較大，主體結(jié)構(gòu)必須具有較強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)能力；④對(duì)豎向構(gòu)件的界面尺寸要進(jìn)行限制，以提高建筑面積使用率。

結(jié)合以上需要解決的問題及建筑平面功能的特點(diǎn)，并結(jié)合審查專家組的意見，結(jié)構(gòu)布置時(shí)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻厚度1～7 層為400mm，8～17 層為350mm，18～29層為300mm，以上均為250mm。且增加平面四邊轉(zhuǎn)角墻肢厚度，即29層～主屋面墻肢厚度均為300mm，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)性能。剪力墻混凝土等級(jí)底部加強(qiáng)區(qū)為C50，以上依次取C45～C35。樓、屋蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁、板體系，梁、板混凝土標(biāo)號(hào)自下而上依次取C35～C30.由于存在夾層樓板開洞，現(xiàn)將夾層的樓板厚度均加厚至120mm，同時(shí)提高該處梁、板配筋率，將夾層樓板板配筋雙層雙向拉通處理，并適當(dāng)增設(shè)局部樓板以增強(qiáng)開洞薄弱處的連接。豎向構(gòu)件采用高標(biāo)號(hào)混凝土，大大減小截面尺寸，提高建筑面積的使用率。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，除將夾層作為結(jié)構(gòu)層進(jìn)行設(shè)計(jì)外，并同時(shí)復(fù)核兩層合并為一層的層高的模型進(jìn)行分析計(jì)算，取最不利的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的分析比較

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及程序鑒于本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)采用兩種不同的軟件：

（1）建筑結(jié)構(gòu)三維分析軟件ETABS V9.2.0（中文版），計(jì)算中各構(gòu)件的計(jì)算單元分別為：a.線單元：梁、柱；b.膜單元：水平樓板；c.殼單元：剪力墻。

（2）基于廣義協(xié)調(diào)墻元模型的高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件PKPM（2008 版）-PMSAP，各構(gòu)件計(jì)算單元分別為：a.桿元：梁、柱；b.膜單元：水平樓板；c.墻元：剪力墻。

4.2 反應(yīng)譜法計(jì)算的主要結(jié)果分析

（1）計(jì)算得到的前6 階段模態(tài)的振動(dòng)周期結(jié)果列于表1。兩個(gè)程序計(jì)算得到的第一、第二周期T1、T2 分別為X、Y 方向的平動(dòng)周期，第三周期T3 為扭轉(zhuǎn)第一周期，T3/T1均遠(yuǎn)小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》B 級(jí)高度的限值0.85，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭能力，符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求。振型曲線符合正常規(guī)律。從圖1 可見，扭轉(zhuǎn)周期比滿足設(shè)計(jì)要求，有效質(zhì)量系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性 圖2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

（2）計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大影響位移結(jié)果列于圖2，從圖2可見，層間位移角限值均小于1/1000 以及位移比均小于1.4，均滿足規(guī)范要求，地震作用下的剪重比滿足要求。

（3）結(jié)構(gòu)樓層抗側(cè)剛度比及層抗剪承載力比均滿足規(guī)范要求。

4.3 彈性時(shí)程分析主要計(jì)算結(jié)果與分析

時(shí)程分析采用“中國(guó)建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所”提供的三條場(chǎng)地實(shí)測(cè)地震波，其中兩條天然波，一條人工波?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)時(shí)程分析具體要求如下：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。主要計(jì)算結(jié)果見圖3，最后X 向、Y 向結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

圖3 時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

4.4 抗震構(gòu)造措施

（1）合理選擇剪力墻截面，控制樓層的層間剛度比。提高剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的延性，底部加強(qiáng)區(qū)墻身配筋率取值不小于1.5%。

（2）減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件布置使之均勻?qū)ΨQ。同時(shí)加強(qiáng)外圍剪力墻墻肢厚度以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)比小于1.4。

（3）加強(qiáng)薄弱部位的樓板剛度，適當(dāng)提高該處梁、板截面厚度及增加配筋率，并嚴(yán)格控制梁、板的裂縫，尤其加強(qiáng)洞口周邊樓板厚度及配筋率。

（4）盡可能減少由于開洞形成的小墻肢現(xiàn)象，合理配筋并控制軸壓比。

4.5 墻身穩(wěn)定性驗(yàn)算

設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)核兩層并一層后層高為6 米的模型的剪力墻穩(wěn)定性，滿足規(guī)范要求。

4.6 夾層復(fù)核計(jì)算

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)除將隔層作為結(jié)構(gòu)層進(jìn)行設(shè)計(jì)外，并同時(shí)復(fù)核兩層合并為一層的層高的模型進(jìn)行分析計(jì)算，并取最不利的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，使計(jì)算結(jié)果偏安全設(shè)計(jì)。

5.結(jié)語

綜上所述，超限高層住宅建筑通過采用剪力墻結(jié)構(gòu)的布置形式，合理地控制剛度的分配及結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及其薄弱環(huán)節(jié)的概念設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合多種專業(yè)軟件進(jìn)行復(fù)核與分析比對(duì)，是可以使結(jié)構(gòu)達(dá)到較好的抗震安全性能和經(jīng)濟(jì)效益的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2006]220 號(hào)）.

[2] GB50011-2001（2008 年版），《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》.

[3] JGJ3-2002，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.

[4] 方鄂華.《高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社.