高層建筑結(jié)構(gòu)超限設計分析

秦俊林

摘 要：近年來，我國建筑行業(yè)取得了較快的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)開始向多樣化和復雜化的方向發(fā)展。人們在注重建筑實用性的同時，對建筑的外觀也有了更高的要求。這就導致在高層建筑結(jié)構(gòu)超限設計越來越普遍。這些超限的高層建筑結(jié)構(gòu)設計，其是在設計時超出相關(guān)的技術(shù)標準和規(guī)范所規(guī)定的高度，其在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較大的區(qū)別。關(guān)于這些超限高層建筑國家也做出了相關(guān)的規(guī)定，將超過B級高度建筑180米的最大適用高度的高層建筑都稱為高層超限結(jié)構(gòu)設計。文中從高層建筑超限結(jié)構(gòu)設計與普遍高層建筑的區(qū)別入手，對高層建筑超限設計的主體因素進行了分析，并進一步對高層結(jié)構(gòu)超限設計中主體問題的解決措施進行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；超限設計；主體因素；措施

前言

隨著現(xiàn)代化建設開始向高層和超高層的方向發(fā)展，當前建筑結(jié)構(gòu)的體型開始朝著復雜化和多樣化的方向發(fā)展。人們對建筑結(jié)構(gòu)的實用性和美觀性更為關(guān)注，在這種情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)超限的項目不斷增加，這也給設計增加了較大的難度。這類建筑不僅與國家現(xiàn)行規(guī)范的高度和結(jié)構(gòu)都具有較大的差異，而且體型也具有不規(guī)則的特征，所以需要對該類建筑結(jié)構(gòu)設計進行分析，從而有效的確保高層建筑結(jié)構(gòu)超限設計的安全性。

1 高層建筑超限結(jié)構(gòu)設計與普通高層建筑的區(qū)別

一是層數(shù)和高度的增加，豎向荷載也不斷加大，墻、柱結(jié)構(gòu)面積也隨之相應的增加。

二是由于高度的增加，超限結(jié)構(gòu)的水平荷載急劇增長，風力隨著各層作用點高度的增加而不斷加大，重力荷載代表值、各層作用點高度及構(gòu)件截面剛度也會導致地震作用的加大，結(jié)構(gòu)受力的主要思想因素來自于水平荷載。

三是隨著高層建筑層數(shù)的增加，所累加的效應也會越來越明顯。而且在這其中還會由于壓縮變形差而導致節(jié)點附加彎矩、傾覆彎矩所產(chǎn)生附加軸力，這也是超限結(jié)構(gòu)設計時不可忽視的重要因素。

四是層數(shù)的增加，導致需要調(diào)整的系數(shù)也加大，構(gòu)件內(nèi)力變形、位移值和位移比的控制難度都會有所增加，從而需要對其抗震等級進行提高。

2 高層建筑超限設計的主體因素

2.1 基于性能的抗震設計能否滿足抗震性能目標

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中，通常分為小震、中震和大震作用下的抗震設計，計算分析方法也具有一定的區(qū)別。通常利用振型分解反應法或是彈性動力時程法來對小震作用進行計算分析；而中震則利用彈性計算和結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服判斷分析法來對其抗震性能進行計算；在大震設計時，則利用靜力彈塑性一Pushover推覆分析及動力彈塑性來對進行計算。利用這些計算方法可以有效的對各階段所要實現(xiàn)的抗震目標進行判斷，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 考慮可能的風載作用控制并驗算風作用下舒適度

通常情況下在對抗震超限審查項目中并不包括風荷載作用。但對于高層超限結(jié)構(gòu)工程來講，由于其高度與正常高層建筑的高度超出較多，這就會導致風起到較大的控制作用。所以需要在高層超限結(jié)構(gòu)中對風載進行必要的分析。在具體分析過程中，需要通過風洞試驗的數(shù)據(jù)對超高層建筑受相鄰超高層建筑物風擾的影響進行分析，根據(jù)其橫風作用的大小來采取必要的控制措施。在對橫風和順風作用進行超限計算時，需要將兩個方向的風壓值都要與放大系數(shù)1.3相乘，從而計算出相應的位移和強度，從而進一步對可能起控制的橫向風作用進行有效控制，確保在風作用下高層超限結(jié)構(gòu)設計的最佳舒適度。

2.3 根據(jù)高層超限結(jié)構(gòu)構(gòu)件和剛度需求分析溫差效應

目前高層結(jié)構(gòu)采用的都為豎向構(gòu)件筒體，樁截面和剛度都較大，這就導致就會導致在混凝土澆筑過程中樓蓋梁板在水平方向上溫差變形會有較大的約束力產(chǎn)生。從而導致相應約束力產(chǎn)生，即水平溫差效應。所以在實際設計過程中需要對混凝土終凝時的溫度差值所可能對結(jié)構(gòu)帶來的附加內(nèi)力影響進行充分的考慮。

2.4 針對超限分析要考慮混凝土徐變收縮對結(jié)構(gòu)的影響

混凝土自身固徐變收縮的特性，但鋼結(jié)構(gòu)則不存在這個問題，但當混凝土附著在鋼結(jié)構(gòu)上時，隨著時間的持續(xù)，則會導致徐變變形的發(fā)生。同時作為超限高層建筑，由于其豎向構(gòu)件高度較大，這就會導致其徐變變形累計數(shù)量較大，而且同時還會有收縮變形發(fā)生，在這兩種疊加變形的作用下，會導致超高層建筑豎向構(gòu)件后期的塑性變形達到較大的一個量級，導致其超出荷載直接發(fā)生彈性變形，從而對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件或是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來較大的影響。所以在實際設計過程中，需要對這種徐變收縮進行量化分析，對其可能導致的不利影響進行評估，根據(jù)分析的結(jié)果來對是否需要采用相應的對策進行判斷，確保超限高層建筑的質(zhì)量。

3 高層結(jié)構(gòu)超限設計中主體問題的解決措施

對于超限高層建筑，其對于抗震性能進行設計時，需要采用科學合理的設計方法從而對高層建筑結(jié)構(gòu)在大、中、小三個地震級別的抗震性能進行具體的分析和判斷，對于豎向荷載及風載的作用，則需要在設計和計算時確保所選擇的方法的規(guī)范性。從而有效的確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈性，確保其在小需作用下結(jié)構(gòu)具有良好的彈性和完好性，不會有損傷發(fā)生，使結(jié)構(gòu)在小震中具有較好的抗震性能。

在對中震作用下結(jié)構(gòu)的彈性進行計算時，需要利用地震反應譜曲線來對中震彈性進行計算，由于需要在計算中對各項系數(shù)進行確定，所以可以將荷載、材料及城市承載力調(diào)整等各項系數(shù)都取1.0為準，而在計算過程中可以不對地震作用下內(nèi)力放大調(diào)整進行考慮，其標準值可以根據(jù)材料的強度來進行選取，以構(gòu)件地震作用組合效應小于強度標準值計算的抗震承載力為標準，在這種情況下，則可以做到中震作用下，高層超限結(jié)構(gòu)具有良好的不屈服性，具有較好的抗震性能。

豎向構(gòu)件及與外框柱及內(nèi)筒剪力墻面內(nèi)相交的主要框架梁均不出現(xiàn)屈服，梁均不出現(xiàn)受剪屈服，在小震及屈服判別地震作用1時，所有梁不出現(xiàn)受彎屈服；在判別地震作用2及中震時，核心筒連梁僅出現(xiàn)程度較輕的屈服（主要表現(xiàn)為面筋配筋率略>2.5%），可判斷為輕微的損傷；另，右側(cè)的邊框架梁在中震下也出現(xiàn)輕微屈服，經(jīng)將梁寬度適當加大后，即可滿足該梁中震不屈服。實際設計時，將按小震和中震兩者的較大值對構(gòu)件進行配筋，這樣則能實現(xiàn)中震作用下結(jié)構(gòu)“重要構(gòu)件不屈服，其他構(gòu)件部分允許受彎屈服，可修復使用”的第二階段抗震性能水準。

對大震作用，則可以采用相應軟件對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析（Pushover）及用接口程序BEPTA進行模型的前處理和準備工作后通過分析軟件對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性分析。按彈塑性程序計算所反映的塑性發(fā)展程度來對構(gòu)件以至整個結(jié)構(gòu)進行相應的性能評價。

高層建筑超限結(jié)構(gòu)設計，為了確保其安全性，在對其抗震進行超限審查時，還需要通過對風載、溫差和混凝土徐變收縮可能帶來的影響進行深入的分析，確保真正實施高層超限結(jié)構(gòu)時其性能能夠得到有效的保障。

4 結(jié)束語

高層建設超限結(jié)構(gòu)設計，在設計過程中除了利用軟件和模擬分析外，還需要對主體結(jié)構(gòu)需要承受的荷載、風載和地震等作用進行綜合考慮，對混凝土徐變收縮可能帶來的諸多影響因素進行計算，從而更好的確保高層超限結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量。

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