基于性能化設(shè)計(jì)方法的某超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傅挺萌，劉 昕，張振偉

（1.同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101 2.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250094 3.同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

超限高層建筑為設(shè)計(jì)中，高度指標(biāo)超出規(guī)范要求的建筑，通常情況下，此類建筑為城市或地區(qū)的地標(biāo)性建筑，屬于地區(qū)綜合實(shí)力的象征[1]。隨著人們對超限高層建筑需求與功能的增加，且隨著建筑設(shè)計(jì)理念的不斷優(yōu)化發(fā)展。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表明，性能化設(shè)計(jì)是優(yōu)化建筑綜合性能的關(guān)鍵，也是保障建筑綜合效益的基礎(chǔ)支撐[2]。為實(shí)現(xiàn)將經(jīng)濟(jì)損失降至最低，下文將以某地區(qū)超限高層建筑為例，展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。

1 超限高層建筑結(jié)構(gòu)初步方案設(shè)計(jì)

針對超限高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要分為三個(gè)部分，分別為結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置以及構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)。在初步方案設(shè)計(jì)階段，引入計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[3]。從建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)要素出發(fā)，對結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位進(jìn)行選擇，稱之為結(jié)構(gòu)的選型。結(jié)構(gòu)選型是指在滿足功能要求的前提下，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行合理的選擇。根據(jù)結(jié)構(gòu)的支撐和承載能力，可以將其劃分為垂直承重、水平承重和底部承重[4]。圖1為兩種常見的結(jié)構(gòu)體系。

圖1 兩種常見的結(jié)構(gòu)體系

圖1中（a）為剪力墻結(jié)構(gòu)體系，（b）為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。在上述常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出平面不規(guī)則體系、豎向不規(guī)則體系等，如圖2所示。

圖2 不規(guī)則體系

在根據(jù)實(shí)際情況，確定結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合下式要求：

上述計(jì)算公式中：EJd代表在主軸方向上產(chǎn)生的彈性等效側(cè)向剛度，H代表超限高層建筑高度，Gi代表第i層的重力荷載設(shè)計(jì)數(shù)值。

在確定建筑結(jié)構(gòu)后，對各個(gè)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)?，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形不僅與荷載的大小和形式有關(guān)，還與構(gòu)件的剛度有關(guān)即與構(gòu)件截面尺寸有關(guān)。在沒有進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，很難準(zhǔn)確估計(jì)出部件的斷面尺寸[5]。所以，只能先根據(jù)相關(guān)估算原則和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步估計(jì)各部件的斷面尺寸，再通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之后，若初始估計(jì)的構(gòu)件截面尺寸，則可求出構(gòu)件的內(nèi)力及變形，能夠滿足結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形的要求，便可以確定構(gòu)件的截面尺寸。如果初步估算的構(gòu)件截面尺寸不能滿足結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的要求時(shí)，則需要對構(gòu)件的截面尺寸進(jìn)行重新調(diào)整，再重新進(jìn)行分析計(jì)算[6]。構(gòu)件的截面尺寸初步估算應(yīng)當(dāng)結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況和滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2 超限高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)模型構(gòu)建與結(jié)構(gòu)分析

在對超限高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析前，建立模型。將結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榱W(xué)模型，引入反應(yīng)譜法，綜合考慮地面運(yùn)動(dòng)特性、地震強(qiáng)度等因素的影響，通過計(jì)算得出相對接近真實(shí)情況的結(jié)果。最大基底剪力可以描述為：

上述計(jì)算公式中：F代表最大基底剪力，k代表地震系數(shù)，b(T)代表地震動(dòng)最大加速度與加速度頻譜之比，G代表重力荷載參數(shù)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，為超限高層建筑制定一個(gè)合理的性能目標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)能夠在整個(gè)生命周期中實(shí)現(xiàn)對地震的有效防御，并且實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)安全性與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的充分協(xié)調(diào)[7]。圖3為建筑結(jié)構(gòu)與作用、效應(yīng)、要求之間的關(guān)系圖。

圖3 建筑結(jié)構(gòu)與作用、效應(yīng)、要求之間的關(guān)系圖

針對超限高層建筑的概率極限狀態(tài)進(jìn)行分析，采用內(nèi)力的形式進(jìn)行表達(dá)，此時(shí)構(gòu)件極限狀態(tài)表達(dá)為：

上述計(jì)算公式中：g0代表結(jié)構(gòu)權(quán)重，S代表荷載極限工況下的影響設(shè)計(jì)值，R代表結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)數(shù)值。對于正常使用的極限狀態(tài)，按照下述公式要求設(shè)計(jì)：

上述計(jì)算公式中：S代表

C在正常工作極限工況下的載荷聯(lián)合作用設(shè)計(jì)值， 代表滿足正常使用需求的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部件的指定限度。

3 基于性能化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與目標(biāo)驗(yàn)算

在完成對超限高層建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析后，引入性能化設(shè)計(jì)理念，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對非抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其各個(gè)構(gòu)件應(yīng)當(dāng)滿足下述要求：

上述計(jì)算公式中：Sd代表加載效果的綜合設(shè)計(jì)值，Rd代表構(gòu)件承載能力的設(shè)計(jì)值。對于抗震結(jié)構(gòu)，各個(gè)構(gòu)件的承載力應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足上述公式（5）和下述公式（6）：

上述計(jì)算公式中：gRE代表結(jié)構(gòu)的受力調(diào)整因子。

針對墻肢正截面承載力的計(jì)算，可按照下列規(guī)定進(jìn)行：

對于持久、短暫的設(shè)計(jì)狀況：

上述計(jì)算公式中：N代表受壓承載力，A's和As代表縱向鋼筋位置，f'y代表偏心受壓，ss代表常數(shù)。

剪力墻肢的剪力主要是由混凝土和水平方向上的分配鋼筋共同承受，其應(yīng)力可分成兩類，即偏拉和偏心兩種。一、二級(jí)和三級(jí)抗震水平的剪力墻的下部加固部分均采用調(diào)節(jié)系數(shù)來提高其抗震設(shè)計(jì)值，而在四級(jí)抗震和不受地震影響的情況下可以不進(jìn)行調(diào)整，其計(jì)算公式如下：

上述計(jì)算公式中；V代表考慮抗震組合的剪力墻腿下部加固部分的剪應(yīng)力設(shè)計(jì)，hvw代表剪力增加系數(shù)，Vw代表考慮抗震組合的剪力計(jì)計(jì)算結(jié)果。但在抗震強(qiáng)度為9度時(shí)，剪力墻的加固部分仍需按實(shí)際配筋的抗彎承載力來計(jì)算[8]。按照上述邏輯思維完成對超限高層建筑中所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

最后，對超限高層建筑性能目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，其中滿足不屈服設(shè)計(jì)的驗(yàn)算公式為：

上述計(jì)算公式中：SGE代表重力荷載，SEhk代表水平方向上的構(gòu)件內(nèi)力，SEvk代表垂直方向上的構(gòu)件內(nèi)力，Rk代表承載力標(biāo)準(zhǔn)值。符合剪切斷面控制要求的計(jì)算公式為：

上述計(jì)算公式中：VGE代表受重力載荷代表值的構(gòu)件剪力，VEk代表標(biāo)準(zhǔn)地震荷載作用下的構(gòu)件剪應(yīng)力，fck代表混凝土軸向壓縮強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，b代表鋼筋混凝土剪力墻端部暗柱型鋼強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，h0代表剪力墻（CRC）端部暗柱型鋼截面面積。

4 某超限高層建筑概況

表1 某超限高層建筑概況

為發(fā)揮建筑所在地的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)中，盡可能民居住宅房間采用南向設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本信息，見下表：

表2 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本信息

5 實(shí)證分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)多遇地震和設(shè)防地震的特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力和變形分析，并根據(jù)多遇地震和設(shè)防地震的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋，結(jié)合結(jié)構(gòu)在罕遇地震中的超限處理的主要措施，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)。在配筋設(shè)計(jì)過程中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、梁板設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計(jì)內(nèi)容，以底層建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻為例，進(jìn)行構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)，剪力墻截面見下圖：

圖4 剪力墻截面尺寸設(shè)計(jì)

在罕遇地震中，結(jié)構(gòu)塑性變形最顯著的地方是在裙房的收入?yún)^(qū)，而且集中在建筑物的角部、邊緣、偏心周圍，特別是大框架收進(jìn)區(qū)附近的塔樓的垂直承載構(gòu)件，在地震作用下，層間的位移角發(fā)生了較大的變化，雖然符合“大震不倒”的要求，但在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)增加與之對應(yīng)位置的垂直構(gòu)件的配筋比例，或應(yīng)采用比規(guī)范更為嚴(yán)格的抗震措施?？紤]到梯形收進(jìn)部位上下兩層周圍的垂直構(gòu)件，因此建議在設(shè)計(jì)中將其抗震級(jí)別提升一級(jí)。在罕遇地震時(shí)，單塔的偏移對裙房的屋蓋等造成了較大的應(yīng)力集中影響，因此，應(yīng)加大收入處和鄰近樓層的厚度，并采取雙向加筋等方法，以增加結(jié)構(gòu)的剛性。同時(shí)，為了防止連梁和底部加強(qiáng)部位發(fā)生脆性剪切破壞，應(yīng)適當(dāng)增加連梁的箍筋，并在跨高相對較低的連梁中增加交叉暗撐。為了加強(qiáng)建筑整體剛度，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，也可在樓層標(biāo)高位置增加暗梁，使建筑在空間上的功能得到充分的體現(xiàn)。

完成上述設(shè)計(jì)后，對地震作用下建筑結(jié)構(gòu)X向與Y向的主要情況進(jìn)行分析，其結(jié)果見下表：

上述所有結(jié)構(gòu)均通過時(shí)程分析法得到。

6 結(jié)語

通過上述研究，得到如下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）根據(jù)上表3地震作用下建筑結(jié)構(gòu)X向與Y向的主要情況可知，建筑所在區(qū)域發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，頂點(diǎn)位移與最大層間位移角較小，不會(huì)對建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性與穩(wěn)定性造成影響。

表3 地震作用下建筑結(jié)構(gòu)X向與Y向的主要情況

（2）本次研究以某超限高層建筑為工程背景，基于性能化設(shè)計(jì)角度，對建筑結(jié)構(gòu)展開了設(shè)計(jì)，但因本人理論水平和時(shí)間、精力的限制，尚有很多有待進(jìn)一步深化和改進(jìn)的地方：①目前，以性能化為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法還不夠成熟，規(guī)范中關(guān)于超限高層建筑的定性描述仍較少，且評估標(biāo)準(zhǔn)較為單一，至今尚無一個(gè)可被認(rèn)可的定量指標(biāo)來衡量其性能。②在確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)時(shí)，僅考慮工程的高度、場地條件等，沒有考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性、震后的恢復(fù)性、經(jīng)濟(jì)損失等，今后可以將其作為切入點(diǎn)，展開進(jìn)一步的研究。③對于整體結(jié)構(gòu)，本文僅進(jìn)行了動(dòng)態(tài)彈塑性時(shí)程分析，而對于復(fù)雜、形狀不規(guī)則的高層建筑，其受力、變形等影響因素較為復(fù)雜，分析軟件的種類和精度也各不相同，為了獲得最好的結(jié)果，可在后續(xù)的研究中，使用不同的分析方法、軟件，以及不同的恢復(fù)力模型對此次設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行描述。