超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

賈文沛 謝龍龍

湖南省建筑科學(xué)研究院 湖南 長(zhǎng)沙 410000

引言

建筑層數(shù)超過(guò)十層的就算做高層建筑，其中超限高層建筑包括在內(nèi)。事實(shí)上超限高層建筑的高度和層數(shù)并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型來(lái)確定。只要建筑物算作超限高層，就表明對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)形式和施工質(zhì)量提出更高的要求[1]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面一定要選擇合適的體系選型，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性、科學(xué)性和安全性。

1 超限高層建筑結(jié)構(gòu)體系分析

1.1 框架結(jié)構(gòu)

采用框架結(jié)構(gòu)的超限高層建筑具有平面布置靈活輕便、受力體系簡(jiǎn)單、施工過(guò)程快捷等多方面的優(yōu)勢(shì)。采用框架結(jié)構(gòu)的建筑物兩柱之間的距離控制在7m左右，如果使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)則需要控制兩柱距離為15m以上。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足抗震要求和風(fēng)荷載，此外還需要注意非結(jié)構(gòu)構(gòu)件填充墻，在框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時(shí)很容易導(dǎo)致?lián)p壞。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)承載力良好，在抗震強(qiáng)度和風(fēng)荷載兩方面具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是其缺點(diǎn)是自重較大、同時(shí)延展性不足，不能很好解決水平荷載問(wèn)題。同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)的相鄰墻體間距需控制在5m左右，大大減小了建筑的使用空間。

1.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒體系結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)綜合了上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，既具有比較好的延展性，可以靈活進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置；同時(shí)還繼承了剪力墻具有的高抗側(cè)剛度。該結(jié)構(gòu)利用了樓層梁板進(jìn)行框架和剪力墻的相互連接，能夠同時(shí)受力，所以結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移幅度不大。

框架-核心筒體系結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)比較類似，受力特征二者也幾乎相同。核心筒主要是利用電梯井、樓梯間、運(yùn)輸管道的那個(gè)構(gòu)成一個(gè)混凝土的筒柱。其中的框架部分主要是以核心筒為中心，逐漸向外部延伸。這種結(jié)構(gòu)使用空間更多，構(gòu)造靈活，適用于商務(wù)建筑如寫字樓等。同時(shí)因筒體封閉使其具有很強(qiáng)的抗彎、抗扭剛度，超限高層建筑采用這種結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震性能穩(wěn)定。

2 超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 水平荷載

在對(duì)具體建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)要注意計(jì)算其水平荷載和垂直荷載。豎構(gòu)件注意水平荷載形成的軸力和建筑高度的兩次方成正比。同時(shí)建筑高度確定之后，豎荷載就保持不變，但是水平荷載會(huì)隨著結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生變化，施工人員必須注意。

2.2 結(jié)構(gòu)延性

上文提及，超限高層的垂直高度很大，在結(jié)構(gòu)上和其他諸多建筑相比具有更好的柔性。這要求建筑整體的變形能力要很好，不能具備過(guò)強(qiáng)的剛度。比如在發(fā)生地震時(shí)，建筑物開始劇烈搖晃，進(jìn)入塑性變形階段，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)能夠使得超限高層建筑不傾覆，最大程度保障建筑內(nèi)人員的安全。

3 超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 地基和基礎(chǔ)部分

很多超限高層的建設(shè)只根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙或基礎(chǔ)資料就盲目動(dòng)工，忽視了實(shí)地考察的重要性，缺少了實(shí)際、科學(xué)的報(bào)告，這樣無(wú)法確保地基和建筑基礎(chǔ)的質(zhì)量。所以在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前應(yīng)當(dāng)預(yù)先實(shí)地考察，結(jié)合實(shí)地的地質(zhì)情況，綜合考慮各方面因素后在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板產(chǎn)生裂縫

一方面，無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的受力分析都不夠完備，通常局限于樓板平面上的應(yīng)力變化，缺少了對(duì)于板端嵌固端節(jié)點(diǎn)等部位的考慮；另一方面，在實(shí)際的樓板鋼筋配置過(guò)程中，工作人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致受力分析和實(shí)際情況有較大出入，造成混凝土樓板的抗拉能力不足，所以會(huì)產(chǎn)生裂縫問(wèn)題。

3.3 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

很多超限高層建筑選擇梁式轉(zhuǎn)換，上部框架正好處于轉(zhuǎn)換梁的上部，因?yàn)榻孛婧苄。粤褐l(fā)生微小位移都會(huì)對(duì)整體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)造成很大影響，所以施工時(shí)要注意對(duì)轉(zhuǎn)換梁撓度的控制。此外還需要增強(qiáng)轉(zhuǎn)換框架的抗震承載力，據(jù)有關(guān)抗震專家分析，轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)置勁性鋼骨能夠有效增強(qiáng)抗震能力到特一級(jí)，如圖1所示：

4 實(shí)例工程分析

本文將要分析的案例為上海市世博園區(qū)某超限高層的建筑結(jié)構(gòu)。首先分析建筑主體結(jié)構(gòu)的選型方案，之后介紹一些針對(duì)該超限建筑的一些不規(guī)則面的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，讓整棟建筑的設(shè)計(jì)方案科學(xué)、合理、可行。

4.1 項(xiàng)目概況

本建筑選址世博園區(qū)，主要功能為寫字辦公樓，主樓合計(jì)29層，裙樓4層，結(jié)構(gòu)高度合計(jì)150m，地上建筑面積合計(jì)8萬(wàn)m2。該建筑物的抗震等級(jí)按照7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建設(shè)，基本風(fēng)壓為0.55kN/m2。結(jié)合建設(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)條件，采用鉆孔灌注樁進(jìn)行建設(shè)[2]。

4.2 結(jié)構(gòu)選型

本工程選用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，因?yàn)楸竟こ虒?duì)應(yīng)的是100到200m級(jí)別的超限建筑，結(jié)合建筑中常用的集中交通核模式，同時(shí)充分考慮整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和建設(shè)單位的成本控制要求，最終選定結(jié)構(gòu)選型。其中核心筒作為抗側(cè)力的首要工具，承擔(dān)起了建筑中絕大部分的水平荷載；框架部分同時(shí)具有一定的抗側(cè)力作用，不過(guò)主要用于承擔(dān)超限建筑中的豎向荷載。經(jīng)過(guò)電腦模擬軟件設(shè)計(jì)和分析顯示，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)的本建筑在滿足使用和成本控制的前提下，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本工程中典型樓層平面圖如圖2所示：

圖2 本工程中典型樓層平面設(shè)計(jì)圖

4.3 部分超限控制措施淺析

本建筑經(jīng)判定屬于超限建筑，在設(shè)計(jì)中采用多種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)指標(biāo)的控制，超限計(jì)算控制措施主要有以下五大方面構(gòu)成：

計(jì)算模型說(shuō)明：地震作用按照兩個(gè)主軸方向輸入，同時(shí)需要考慮到5%的偶然偏心地震的可能性，同時(shí)測(cè)算在該類型地震發(fā)生時(shí)的扭轉(zhuǎn)影響，分析采用振型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程法進(jìn)行。

小震彈性反應(yīng)譜分析：在地震規(guī)模較小時(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，部件承載力都處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。主計(jì)算程序?yàn)橛芛JK1.8，用于結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)控制和構(gòu)件的配筋計(jì)算；同時(shí)采用副計(jì)算程序MIDAS Building對(duì)主程序的計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行審核和復(fù)查工作。

小震彈性時(shí)程分析：為了讓超限建筑保持良好的抗震能力，本工程采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行地震模擬計(jì)算。根據(jù)場(chǎng)地類型選用不同相應(yīng)的地震波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震下的彈性時(shí)程分析。設(shè)計(jì)時(shí)地震作用取7條時(shí)程曲線的計(jì)算平均值和振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的最大值。

性能設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算：依據(jù)相應(yīng)的性能目標(biāo)，本工程進(jìn)行了中震彈性、大震不屈服等彈性計(jì)算，確保建筑中的有關(guān)構(gòu)建能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

彈塑性靜力分析：本工程同時(shí)進(jìn)行了罕見大地震作用下的薄弱層塑性變形測(cè)量，采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法演算塔樓在遭遇罕見地震情況下的結(jié)構(gòu)受力變形情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，目前隨著我國(guó)城市用地地日趨緊張，越來(lái)越多的開發(fā)商把樓設(shè)計(jì)得更高，以緩解用地不足的問(wèn)題。這導(dǎo)致很多超限建筑的產(chǎn)生，作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，一定要注意對(duì)于超限建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，認(rèn)真比較本文提到的四種結(jié)構(gòu)選型，重視在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)和注意事項(xiàng)，爭(zhēng)取讓超限建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完善，間接保障整體建筑的質(zhì)量和安全性。