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

王 淵 （內(nèi)蒙古自治區(qū)本級政府投資非經(jīng)營性項目代建中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

近年來，高層建筑的崛起在世界各地的城市建設(shè)中展現(xiàn)了無限的創(chuàng)造力。標(biāo)志性的特色建筑以其驚人的高度、復(fù)雜的形態(tài)和多用的功能引人注目。高層建筑作為城市發(fā)展的標(biāo)志，不僅提高了土地利用率，也為人們提供了獨特的空間體驗[1]。然而，高層建筑設(shè)計在結(jié)構(gòu)安全性和節(jié)能環(huán)保等方面也面臨許多挑戰(zhàn)，因此，致力于性能化設(shè)計方法是確保高層建筑性能可靠、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要途徑。本文結(jié)合實際的超高層建筑設(shè)計項目，采用性能化設(shè)計方法，聚焦于設(shè)計條件、高層建筑結(jié)構(gòu)方案以及性能化分析等關(guān)鍵方面，以期為高層建筑設(shè)計領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和實踐提供有益的參考。

1 工程概況

XY超高層建筑位于某地級市商圈核心位置，作為該地區(qū)的地標(biāo)性建筑，該項目旨在突顯城市的現(xiàn)代化形象和經(jīng)濟(jì)實力。項目地點得天獨厚，享有秀麗的城市景觀和便捷的交通，將為城市增添獨特的城市魅力。該項目是一個集商業(yè)辦公、商業(yè)零售、多功能娛樂、精品公寓、五星級酒店于一體的復(fù)合型地產(chǎn)項目，主體建筑高度為116.5m，地上30 層，地下3 層，建筑占地面積8250m2，總建筑面積157860m2。XY超高層建筑采用現(xiàn)代、創(chuàng)新的建筑風(fēng)格，通過流線型的外觀和獨特的建筑造型，將成為城市的視覺焦點。結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，通過結(jié)構(gòu)分析和創(chuàng)新設(shè)計，確保建筑穩(wěn)固性和安全性。

2 高層建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 豎向承重結(jié)構(gòu)

豎向承重結(jié)構(gòu)首先需要確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。豎向承重結(jié)構(gòu)在高層建筑中起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)將垂直荷載從頂部傳遞到基礎(chǔ)，并確保整個建筑的穩(wěn)定性和承載能力[2]。建筑下部的1~5 層為多功能娛樂和商業(yè)零售，6~15 層為商業(yè)辦公,16~30 層為星級酒店和精品公寓。商業(yè)部分需要開闊空間，根據(jù)功能要求和受力情況，結(jié)構(gòu)類型采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。1~5 層的柱距設(shè)計為8.8m×8.8m，樓梯間四周設(shè)置框架柱，剪力墻布置在電梯井處；6~30層的柱距設(shè)計為7.5m×7.5m，轉(zhuǎn)角處設(shè)置剪力墻。首層柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 首層柱網(wǎng)布置

2.2 水平承重結(jié)構(gòu)

水平承重結(jié)構(gòu)在高層建筑中起到抵抗風(fēng)荷載、地震力和水平振動等橫向力的作用。通過結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，水平承重結(jié)構(gòu)能夠有效地抵抗外部橫向力，同時與豎向承重結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，形成一個穩(wěn)定、安全和功能完備的建筑體系。地上部分采用肋梁樓蓋，地下車庫采用無梁樓蓋。1~5 層梁、板布置圖如圖2 所示，6~30 層梁、板布置圖如圖3所示。

圖2 第1~5層結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 第6~30層結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計性能化分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能化分析是確保超高層建筑的安全性、可靠性和適應(yīng)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)計過程中，需要綜合考慮多種情況，尤其是地震作用下的性能，按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防原則進(jìn)行分析[3]，使用專業(yè)的工具和方法評估建筑結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。

3.1 小震作用下的性能分析

小震，震級在3.0~3.9 之間，要求層間位移角小于1/800rad，所有部位的變形均應(yīng)是彈性變形[4]。小震作用下的性能分析采用YJK計算軟件，計算參數(shù)如表1所示。

表1 小震作用分析的計算參數(shù)

3.1.1 層剪力和剪力系數(shù)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.12,抗震設(shè)防烈度為6 度且基本特征周期為0.35s 的地區(qū)，樓層最小地震剪力系數(shù)值為0.008。XY 超高層建筑的各層剪力和剪力系數(shù)如表2所示。

表2 小震作用下各層剪力和剪力系數(shù)值

剪力系數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 小震作用下各層剪力系數(shù)

由表2 數(shù)據(jù)以及圖4 可知，第一層的剪力系數(shù)最小，X 方向數(shù)值為0.0083，Y 方向數(shù)值為0.0093，均大于規(guī)范規(guī)定的最小地震剪力系數(shù)值0.008。隨著樓層數(shù)的增加，剪力系數(shù)逐漸增大，因此，該超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計在小震作用下，符合規(guī)范要求。

3.1.2 結(jié)構(gòu)位移及層間位移角

小震作用下各層位移和層間角如表3所示。

表3 小震作用下各層位移和層間角

規(guī)范規(guī)定，層間位移角不得大于1/800。表3 數(shù)據(jù)顯示，X 方向最大層間位移角出現(xiàn)在16 層，數(shù)值為1/1585；Y 方向最大層間位移角出現(xiàn)在20 層，數(shù)值為1/2134，均小于1/800，符合設(shè)計要求。

3.2 中震作用下的性能分析

中震的震級在4.0~5.9之間，震感較強(qiáng)，能夠感受到建筑物和人造構(gòu)筑物的震動。在中震作用下，要求關(guān)鍵部位構(gòu)件，如底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、框架柱，在剪力作用下僅產(chǎn)生彈性變形，壓彎和拉彎不能達(dá)到屈服極限。而一般部位的連梁、框架梁等，允許出現(xiàn)抗彎屈服，但在剪力作用下不能達(dá)到屈服極限[5]。計算參數(shù)如表4所示。

表4 中震作用分析的計算參數(shù)

XY 超高層建筑在中震作用下的各層剪力和剪力系數(shù)如表5所示。

表5 中震作用下各層剪力和剪力系數(shù)值

中震作用下的剪力系數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 中震作用下各層剪力系數(shù)

由表5 數(shù)據(jù)以及圖5 可知，第一層的剪力系數(shù)最小，最小為0.0247，大于規(guī)范要求的0.024。隨后逐層增加，最大值為0.1315，出現(xiàn)在頂樓的Y 方向。進(jìn)一步計算表明，各層未出現(xiàn)拉應(yīng)力超出混凝土抗拉極限的情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足中震作用下的性能設(shè)計目標(biāo)。

3.3 大震作用下的性能分析

大震的震級在6.0 以上，震感極強(qiáng)，能夠造成建筑物倒塌，對人民生命和財產(chǎn)安全造成極大威脅。大震作用下的性能分析在于評估建筑結(jié)構(gòu)在極端情況下的響應(yīng)和性能表現(xiàn)，計算參數(shù)如表6所示。

表6 大震作用分析的計算參數(shù)

在大震作用下的各層剪力和剪力系數(shù)如表7所示。

表7 大震作用下各層剪力和剪力系數(shù)值

大震作用下的剪力系數(shù)曲線如圖6所示。

圖6 大震作用下各層剪力系數(shù)

由表7數(shù)據(jù)以及圖6可知，第一層的X方向剪力系數(shù)最小，數(shù)值為0.0568，大于規(guī)范規(guī)定的最小地震剪力系數(shù)值0.056。隨著樓層數(shù)的增加，剪力系數(shù)逐漸增大，至30層時，Y方向取得最大值0.292。因此，該超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計在大震作用下，符合規(guī)范要求。

大震作用下各層位移和層間角如表8所示。

表8 大震作用下各層位移和層間角

規(guī)范規(guī)定，層間位移角不得大于1/100。表8 數(shù)據(jù)顯示，X 方向最大層間位移角出現(xiàn)在18 層，數(shù)值為1/275；Y 方向最大層間位移角也出現(xiàn)在18 層，數(shù)值為1/351。大震作用下，未出現(xiàn)坍塌的情況，滿足大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)。該超高層建筑X方向的最大頂點位移為282.7mm，Y方向最大頂點位移為247.86mm，分別為建筑總高度的1/411與1/475，均小于1/100，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

結(jié)合某超高層復(fù)合地產(chǎn)項目，分析基于性能化的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，得到如下結(jié)論：

（1）建筑豎向承重結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻體系，水平承重結(jié)構(gòu)，地上部分采用肋梁樓蓋，地下車庫采用無梁樓蓋。

（2）小震作用下，最小剪力系數(shù)為0.0083，最大層間位移角為1/1585，均符合規(guī)范要求。

（3）中震作用下，最小剪力系數(shù)為0.0247，各層未出現(xiàn)應(yīng)力超出混凝土抗拉極限的情況，設(shè)計滿足中震作用下的性能設(shè)計目標(biāo)。

（4）大震作用下，最小剪力系數(shù)為0.0568，最大層間位移角為1/275，均符合設(shè)計要求。