超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

胡定紅

摘要：超高層項目的抗震設(shè)計應(yīng)采取嚴(yán)格的技術(shù)措施以保證其結(jié)構(gòu)安全。本文結(jié)合中國郵政儲蓄銀行項目設(shè)計，對復(fù)雜超高層的抗震分析，彈塑性時程分析及性能設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了綜述并針對項目設(shè)計中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了合理優(yōu)化與處理。

關(guān)鍵詞：超高層建筑抗震設(shè)計;連梁超筋調(diào)整;優(yōu)化設(shè)計

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程中復(fù)雜的多層、高層以及超高層建筑體系越來越多。中國郵政儲蓄銀行營運中心高度126.9m，屬于超高層建筑。在設(shè)計過程中首先要在滿足建筑功能及抗震性能的前提下選擇切實可行的結(jié)構(gòu)類型（營運中心采用框架核心筒），以使其具有良好的結(jié)構(gòu)性能。

1 計算結(jié)構(gòu)體系

框架抗震墻結(jié)構(gòu)體系是一種最典型的雙重抗側(cè)力體系，抗震墻作為第一道抗震防線，而框架作為第二道防線（框架部分分擔(dān)的地震剪力達(dá)到20%以上），而對于框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，重點在于核心筒部分，筒體若失效，整個結(jié)構(gòu)就會倒塌。這是因為核心筒可以承擔(dān)絕大部分剪力和大部分的傾覆力矩，同時外圍框架卻只能承擔(dān)很小部分的地震剪力（約小于15%）和小部分傾覆力矩（約小于40%）。這樣會導(dǎo)致框架部分有明顯的剪力滯后，不能形成完全意義上的框架抗震墻結(jié)構(gòu)中框架為第二道防線的作用。

框架柱與核心筒相比抗側(cè)力剛度太弱，高規(guī)把框架核心筒結(jié)構(gòu)的二道防線調(diào)整比框架抗震墻結(jié)構(gòu)更嚴(yán)格些。小于10%，應(yīng)增大到15%，核心筒剪力墻乘以1.1增大系數(shù);大于10%但小于20%，按普通框架剪力墻調(diào)整。本工程占10.19%， 所以按框架剪力墻的相應(yīng)要求進(jìn)行了調(diào)整。

2 計算結(jié)果分析

為了保證超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和安全性，規(guī)范對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算分析提出了更高的要求。本項工程采取兩種計算體系，二者對結(jié)構(gòu)體系指標(biāo)共同控制，包絡(luò)設(shè)計。

該工程利用PKPM進(jìn)行建模分析，利用SATWE和PMSAP兩種分析體系模塊進(jìn)行計算分析，并按規(guī)范要求采用SATWE進(jìn)行彈塑性時程分析。根據(jù)高層建筑超限特點，整體結(jié)構(gòu)采用SATWE和PMSAP兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行對比計算分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳盡的分析：考慮彎扭偶聯(lián)的影響;偶然偏心的影響;平扭周期分析;層間位移角分析;樓層剛度比分析;層間剪重比分析;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算等。對豎向剛度突變層次，開洞部位和端跨的樓板采取加強(qiáng)措施，適當(dāng)增加板厚及梁板配筋率，板采用雙層雙向配筋。洞口周圍框架柱箍筋全長加密，縱筋適當(dāng)放大，增加芯柱，控制住軸壓比。

PMSAP與SATWE中以節(jié)點對位為前提的經(jīng)典協(xié)調(diào)模式不同，PMSAP墻元在子結(jié)構(gòu)邊界上引進(jìn)了與協(xié)調(diào)性度量泛函相關(guān)的廣義協(xié)調(diào)模式，殼元模型假定剪力墻的面內(nèi)為平面應(yīng)力狀態(tài)，面外為板彎曲狀態(tài)，這與剪力墻的實際情況非常符合。該協(xié)調(diào)模式導(dǎo)致墻元網(wǎng)格剖分局部化，在分析中易于兼顧協(xié)調(diào)性、良態(tài)的單元形狀以及粗細(xì)適度的網(wǎng)格尺寸。無論從子結(jié)構(gòu)層次還是從子單元層次，PMSAP墻元與SATWE墻元都迥然不同，屬于不同的力學(xué)模型。

3 設(shè)計問題的處理

3.1連梁超筋調(diào)整方法

剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)以及框架核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，剪力墻連梁超限是經(jīng)常遇到的問題，也是解決起來比較棘手的問題。

對連梁超筋主要有以下幾種方法：1）連梁調(diào)幅處理;2）減少連梁的截面，主要是降低連梁的截面高度，從而達(dá)到減小連梁計算內(nèi)力的目的，同時加大抗震墻的地震效應(yīng)設(shè)計值;3）連梁鉸接處理，即假定連梁在大震下破壞，對抗震墻按獨立墻肢進(jìn)行第二次多與地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢按兩次計算所得較大內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計。

本項目采取了如下處理方式：

1：通過改變連梁計算截面高度，尋求實際截面連梁的最大抗剪承載力所對應(yīng)的截面彎矩設(shè)計值，及與之相應(yīng)的抗震墻內(nèi)力和配筋。

2：對抗震墻應(yīng)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，配筋取兩次計算結(jié)構(gòu)的較大值。

3.2 優(yōu)化設(shè)計在該項目中應(yīng)用

層高直接影響項目的造價，因為層高增加，墻體面積和柱體積增加，并增加結(jié)構(gòu)的自重，會增加基礎(chǔ)和柱的承載力，并使水和電氣的管線加長。降低層高，可節(jié)省材料、節(jié)約能源，有利于抗震，節(jié)省造價。

本項目原設(shè)計兩層地下室（機(jī)械車庫）與三層地下室方案比較，造價方面有如下變動：

1.為了保證機(jī)動車停車數(shù)量，如修改為兩層地下室，須將原平面停車位修改為機(jī)械車位，修改后機(jī)械車位約為460輛，機(jī)械車位單價約2萬元/每個，總計增加投資約920萬元。

2.另外因須做三層機(jī)械車位（三個平面停車位做三層機(jī)械車位可停車7輛），地下室每層層高須增加1.7m，因此修改成地下兩層機(jī)械庫后地下室總埋深比原設(shè)計三層地下室僅減少1.7m。土建造價較三層地下室方案減少約900萬元。

4 總結(jié)

該項目屬于復(fù)雜超高層項目，結(jié)構(gòu)安全應(yīng)放在第一位，各項控制指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求去處理控制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案初步確定以后，應(yīng)針對結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度，合理選擇抗震計算方法。此外優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)建筑設(shè)計的“適用、安全和經(jīng)濟(jì)”目標(biāo)的有效途徑，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)效益的前提下，盡量減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資以提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度和合理性。

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