基于復雜高層及超高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

劉金濤

（雅克設(shè)計有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

基于復雜高層及超高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

劉金濤

（雅克設(shè)計有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

隨著我國技術(shù)的不斷進步，高層建筑結(jié)構(gòu)越來越復雜。平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、超高是高層建筑復雜性的顯著體現(xiàn)，因此進行對復雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，在確保安全性的同時，還用注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性。本文首先詳細的分析了復雜及超過層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的要點，最后以某工程實例說明結(jié)構(gòu)性能設(shè)計在復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，為今后工程的設(shè)計提高一定的參考依據(jù)。

復雜高層；建筑結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；研究

1　復雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.1選擇合理的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

高層建筑高度的不同，其采用的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系也各不相同，其結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系如表1所示。

表1　建筑工程不同高度時結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

在對復雜高層及超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件能夠發(fā)揮整體作用，當采用多層抗側(cè)力體系時，需要對每種抗側(cè)力體系對結(jié)構(gòu)的作用進行分析，進而對抗側(cè)力構(gòu)件進行科學合理的布置。復雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件盡量相互連接，增強結(jié)構(gòu)的整體性，比如可以采用伸臂桁架將框架柱和核心筒相互組合，圖1所示的廣州東塔及其組合抗側(cè)力體系，該建筑在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，就是通過伸臂桁架很好的實現(xiàn)了核心筒和框架柱的相互連接。

圖1　廣州東塔及其組合抗側(cè)力體系

此外還可以采用巨型斜撐、環(huán)帶桁架框架柱組合成整體，使其形成巨型框架，如圖2所示的深圳平安大廈及其組合抗側(cè)力體系，該建筑在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，就是通過巨型斜撐、環(huán)帶桁架將框架柱組合成整體。

此外，還可以將縱橫墻體相互組合起來，形成組合混凝土筒體或組合墻，這幾種抗側(cè)力體系在復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。

1.2重視建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

大量工程實踐經(jīng)驗告訴我們，復雜高層及超高層建筑，首先應(yīng)做到結(jié)構(gòu)概念設(shè)計上的合理性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念給予高度的重視，在進行概念設(shè)計時可參考以下幾方面的內(nèi)容：

（1）盡量做到結(jié)構(gòu)平面上和豎直方向的規(guī)則性，從結(jié)構(gòu)均勻性上提高復雜高層及超過高層建筑的穩(wěn)定性；

（2）確保建筑結(jié)構(gòu)具有明確的傳力路徑，尤其是豎向傳力，一定要保障結(jié)構(gòu)傳；力路徑的順暢連續(xù)性；

（3）對復雜高層及超高層建筑首先應(yīng)確保在結(jié)構(gòu)上具有很高的整體性；

（4）建筑結(jié)構(gòu)的整體受力是建筑設(shè)計的重要內(nèi)容，因此需要從工程材料和設(shè)計、施工技術(shù)上提高受力結(jié)構(gòu)的整體水平，為了充分實現(xiàn)這項要求，就必須協(xié)調(diào)工程師之間的交流性，只有保證良好的溝通才能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標。

圖2　深圳平安大廈及其組合抗側(cè)力體系

1.3結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

在滿足建筑功能性的基礎(chǔ)上，抗震設(shè)計是復雜高層及超高層建筑設(shè)計的重點，也是確結(jié)構(gòu)安全性最為關(guān)鍵的一環(huán)，在地震發(fā)生時能夠有效的減低輸入結(jié)構(gòu)中的地質(zhì)能量，實踐證實，做好抗震設(shè)計需要做好以下五個方面：

①在進行復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)地震作用下構(gòu)件的承載力驗算的同時還需要應(yīng)對結(jié)構(gòu)的層間位移限值進行有效的控制；②在對具體復雜高層及超高層建筑工程項目設(shè)計時，我們可以采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對基于力的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行定量分析，確保結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的塑性變形能夠滿足預期要求；③對復雜高層及超高層建筑構(gòu)件的變形和結(jié)構(gòu)的整體位移之間的精確關(guān)系進行綜合的分析，確定構(gòu)件的有效變形值；④加強復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計，并對一些重要構(gòu)件進行有針對性的設(shè)計；⑤選擇堅固的場地，做好工程的施工，有效的減少地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量。

1.4抗風設(shè)計

在復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的第一自振周期和工程所在地的卓越周期相差很大，對于抗震設(shè)防烈度相對比較低的，比如Ⅵ度設(shè)防、Ⅶ度設(shè)防，此時風載荷對結(jié)構(gòu)的影響要遠遠超過地震對結(jié)構(gòu)的影響程度，尤其是對于一些比較柔的復雜高層及超高層建筑，風載荷在結(jié)構(gòu)設(shè)計中起到控制作用。因此，對于這類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師有必要對風載荷進行專業(yè)的研究。一般情況下，我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）中風載荷的計算公式為Wk=βzμsμzW0，其中μz為風壓高度的變化系數(shù)。對于A類地面：μz=0.794Z0.24；B類地面：μz=0.479Z0.52；C類地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）當中，對200m以上的復雜高層和超高層建筑做了特殊的規(guī)范，在確定復雜高層及超高層建筑確定非圓形截面的橫風向風振等效風荷載時，必須進行風洞試驗。通過風洞試驗對建筑外形的空氣動力進行優(yōu)化，同時確定主體結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)的風載荷標準值，進行對結(jié)構(gòu)整體設(shè)計進行優(yōu)化。

1.5控制關(guān)鍵設(shè)計指標的合理性

對于復雜高層及超過程建筑工程在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中確保各項關(guān)鍵設(shè)計指標的合理性，包括：結(jié)構(gòu)的單位面積質(zhì)量、周期比、剪重比、位移比、層間位移角、剛度比與抗剪承載力比、整體穩(wěn)定性、核心筒和框架部分剪力與彎矩的分配情況等。

2　復雜高層及超高層基于性能的抗震設(shè)計

2.1確定性能目標

復雜高層及超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的性能目標是指某一設(shè)定地震地面運動下結(jié)構(gòu)所要達到的預期性能水準，國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5001-2010）對結(jié)構(gòu)地震破壞等級進行了劃分，表2為我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中四種性能控制目標。

表2　建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的控制目標

根據(jù)抗震安全性評價的能量原則，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力高，就可以適當?shù)慕档徒Y(jié)構(gòu)塑性變形能力的延性要求；反之，如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力比較低，則應(yīng)相應(yīng)的提高結(jié)構(gòu)的延性變形能力。當結(jié)構(gòu)達到性能目標1時，在預期的罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體上基本上處于彈性狀態(tài)，則對于細部構(gòu)造只需要滿足最基本的構(gòu)造要求即可；當結(jié)構(gòu)達到性能目標2時，在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本上完好，在預期罕遇地震作用下部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能發(fā)生屈服，對于細部構(gòu)造則需要滿足延性的最低要求；當結(jié)構(gòu)達到性能目標3時，在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件已有輕微的塑性變形，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體上有明顯的塑性變形，對于細部構(gòu)造則應(yīng)滿足延性構(gòu)造的中等要求，當結(jié)構(gòu)達到性能目標4時，在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞已大于性能目標3，結(jié)構(gòu)的總體抗震承載力僅略高于一般情況，對于細部構(gòu)造則需要滿足延性的最高要求。

2.2合理選用結(jié)構(gòu)的性能目標

對于復雜高層及超高層建筑，其結(jié)構(gòu)的高度或規(guī)則性都超出了現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程的適用限值，從而在進行這類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時缺少可靠的規(guī)定和依據(jù)?；谛阅艿脑O(shè)計方法是當前我國復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的超高超限情況、不規(guī)則程度、工程所在地的設(shè)防烈度和經(jīng)濟因素，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位、薄弱部位或主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在滿足提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力或結(jié)構(gòu)的變形能力或同時提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力和變形能力的要求的情況下，合理確定結(jié)構(gòu)的性能目標。

2.3工程實例分析

某復雜工程其抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅲ類，結(jié)構(gòu)形式為大底盤雙塔結(jié)構(gòu)，北塔樓地上58層，總高度為246m，為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，框架柱采用型鋼混凝土柱，沿豎向利用建筑避難層設(shè)置三道環(huán)向鋼筋混凝土桁架。裙房大底盤在水平方向極不規(guī)則，錯層、樓板開洞、越層柱等，如圖3所示；北塔樓高度超B級，由于環(huán)向桁架的設(shè)置使得相鄰樓層受剪承載力比不能滿足規(guī)范要求。

本工程的抗震性能目標和主要的抗震措施：增強大底盤結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，對大底盤和大底盤屋面以上2～3層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件都按中震彈性的性能要求進行設(shè)計，大底盤結(jié)構(gòu)的抗震措施按照不低于北塔樓抗震措施要求進行設(shè)計；三道環(huán)向桁架所在樓層及上下相鄰樓層按中震彈性進行抗震承載力驗算；對底層抗震墻肢的平均剪應(yīng)力進行控制，使其不大于0.15fck，本工程滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的抗剪控制條件。

本工程進行小震作用下的彈性驗算后，采用靜力彈塑性推覆法對結(jié)構(gòu)進一步的分析，推覆結(jié)果表明本工程在6度中震時整體結(jié)構(gòu)基本上處于彈性狀態(tài)，主要的抗側(cè)力構(gòu)件如抗震墻、框架柱和梁都沒有發(fā)生屈服，核心筒處的部分連梁出現(xiàn)了少量的塑性鉸，且塑性鉸剛剛達到屈服。本工程在6度罕遇地震作用下整體結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布情況如圖4所示，由圖4可知連梁達到一定的屈服程度，核心筒底部和環(huán)向桁架所在樓層個別墻肢也相繼出現(xiàn)了塑性鉸；另外和核心筒相連的部分框架梁梁端也出現(xiàn)了塑性鉸，且大部分梁端塑性鉸分布在避難層。但本工程整體上滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用小的承載能力和變形能力。

圖3　工程效果圖

圖4　工程罕遇地震作用下塑性鉸分布

3　結(jié)束語

隨著我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的形式越來越復雜，高度越來越高，在進行復雜工程及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，保證其科學合理性是非常必要的，本文主要對復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計要點進行了簡單的分析，并以實際工程為例對復雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計進行了探討，對今后類似這樣的工程設(shè)計具有一定的參考價值。

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TU973

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2015-8-19