超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘 要：本文結(jié)合實(shí)際案例，分別從經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)安全性兩個(gè)方面對(duì)超高層建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：與局部十字梁分隔和局部“”字梁分隔方法相比，方向次梁分隔的設(shè)置方法造價(jià)更低。作為外框架柱的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，普通鋼筋混凝土柱不僅能滿足結(jié)構(gòu)安全需求，與型鋼混凝土材料設(shè)計(jì)方案和鋼管混凝土柱、樓面鋼梁和外框架方案相比，地震剪力和位移角還更小。

關(guān)鍵詞：方向次梁；框架-核心筒；地震荷載；地震剪力；位移角

中圖分類號(hào)：TU 97" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高層建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，需要考慮建筑的綜合功能以及特殊設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)時(shí)不僅要關(guān)注建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)受力特性，還要從社會(huì)價(jià)值的角度出發(fā)，追求最佳的綜合效益。本文針對(duì)穩(wěn)定可靠框架-筒體機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了不同設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析結(jié)果，闡述了結(jié)合高層建筑特點(diǎn)進(jìn)行選型分析的思路和方向。

1 超高層建筑設(shè)計(jì)方案

1.1 建筑案例

某塔樓位于用地西北角，總高度為199.8m，建筑面積為104742.29㎡。其中辦公建筑面積為100130.14㎡，可容納5940人，商業(yè)建筑面積為4612.15㎡。該建筑共有地下4層和地上50層，除了19層和35層作為避難層，其余樓層均為高級(jí)寫(xiě)字樓。地下部分為停車庫(kù)。

主體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，樓面采用鋼板混凝土組合樓板體系。該建筑的抗震等級(jí)為一級(jí)。建筑平面的使用性質(zhì)包括辦公、商業(yè)和避難所。G層北側(cè)為辦公大堂，西側(cè)局部為商業(yè)入口，南側(cè)與G層商業(yè)相連，首層南側(cè)為辦公大堂，西側(cè)為商業(yè)入口，二層至四層為商業(yè)區(qū)，五層及以上為辦公區(qū)。

豎向設(shè)計(jì)中，低區(qū)、中區(qū)和高區(qū)以避難層為界。G層和首層各有五部高速客梯通往各區(qū)，高速電梯不下至地下室。此外，還有兩部消防電梯從地下三層至頂層。G層和首層之間有兩部自動(dòng)扶梯連接。兩部辦公消防樓梯分別位于首層和G層，并通向屋頂。二層至四層的商業(yè)區(qū)有3部獨(dú)立的疏散樓梯。此外，還有3部普通客梯從地下四層至四層，施工平面圖如圖1所示。

1.2 框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)中外框架柱的材料選型進(jìn)行對(duì)比分析，擬采用以下3種方案。① 普通鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)：該方案使用普通鋼筋混凝土作為外框架柱的材料。這種材料具有應(yīng)用面廣、施工便利、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但在抗震性能和自重方面相對(duì)較弱[1-2]。② 型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)：該方案采用型鋼與混凝土相結(jié)合的形式，外框架柱的材料是型鋼。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮型鋼的高抗拉性能，提高整體的抗震性能。同時(shí)，鋼筋混凝土核心筒提供了良好的縱向剛度和穩(wěn)定性。③ 鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)：該方案在外框架柱中采用鋼管混凝土。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有較高的抗震性能和承載力，還具有較好的耐久性和施工效率。但是材料成本較高，可能會(huì)增加總體建設(shè)成本。

2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過(guò)觀察混凝土工程量，本文對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。主要關(guān)注型鋼用量和標(biāo)準(zhǔn)層鋼筋用量?jī)蓚€(gè)方面，并通過(guò)比較這兩個(gè)方面來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。以下是這3種方案的初步分析。

2.1 方案一（方向次梁分隔法）

單向次梁分隔是一種在建筑結(jié)構(gòu)中使用的分隔方式。它通過(guò)在結(jié)構(gòu)中添加次梁來(lái)達(dá)到分隔效果。次梁是平行于主梁的輔助梁，用來(lái)提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。該方案次梁設(shè)計(jì)具體數(shù)據(jù)：主梁長(zhǎng)度為10m，次梁間距為1.5m，次梁寬度為0.3m，次梁高度為0.6m或0.8m。

2.2 方案二（局部十字梁分隔法）

局部十字梁分隔是一種在建筑結(jié)構(gòu)中使用的分隔方式。它通過(guò)在結(jié)構(gòu)中添加十字梁來(lái)達(dá)到分隔效果。十字梁是一種具有十字形狀的橫梁，用來(lái)提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力[3]。具體數(shù)據(jù)：主梁長(zhǎng)度為8m，十字梁跨度為2m，十字梁寬度為0.4m，十字梁高度為0.8m或1.0m。

2.3 方案三（局部“”字梁分隔）的設(shè)置方法

局部“”字梁分隔是一種在建筑結(jié)構(gòu)中使用的分隔方式。它通過(guò)在結(jié)構(gòu)中添加“”字形狀的橫梁來(lái)達(dá)到分隔效果。“”字梁可以提供結(jié)構(gòu)的剛性和承載能力。具體數(shù)據(jù)：主梁長(zhǎng)度為12m，“”字梁跨度為1.2m，“”字梁寬度為0.5m，“”字梁高度為0.9m或1.1m。

對(duì)這3個(gè)方案的標(biāo)準(zhǔn)層梁板用鋼量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將方案一的單位面積用鋼量作為基準(zhǔn)，給出其他幾種方案用鋼量的變化情況。表1中列出了具體數(shù)值，其中正值表示用鋼量比方案一多，負(fù)值表示用鋼量比方案一少。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以觀察到方案二和方案三的用鋼量都有所增加，但增加的幅度是有限的。最主要的問(wèn)題是梁高增加了200mm，而樓層凈高度減少較多。因此方案一是最佳的梁布置方案，不建議采用方案二或方案三。另外，由于方案二樓板厚度增加，因此導(dǎo)致部分墻體需要加厚。

3 地震響應(yīng)對(duì)比分析

地震是威脅超高層建筑穩(wěn)定性的關(guān)鍵荷載，因?yàn)槌邔咏ㄖ陨砀叨冗h(yuǎn)大于建筑寬度和長(zhǎng)度，且超高層建筑有多次分層，所以在地震荷載下極易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)《抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》的規(guī)定，考慮具體工程所處位置可能出現(xiàn)的地震特征，因此選取天然波作為計(jì)算地震波[4-5]。

圖2為地震荷載作用下，不同層間X方向和Y方向的剪力。由圖2中可以看出超高層建筑底部在上部荷載作用下剪力值最大，且隨著樓層增加，樓層間剪力逐漸變小。不同超高層建筑設(shè)計(jì)方案中隨著樓層層數(shù)增加，地震剪力降低速率不斷增加。

在3種方案中，不同方向剪力差別不大，除方案二外，方案一和方案三的X方向地震剪力大于Y方向。本文超高層建筑X向?qū)挾纫∮赮向長(zhǎng)度，柔性系數(shù)更大，因此更容易出現(xiàn)變形，地震剪力也更大。對(duì)同一種方向剪力來(lái)說(shuō)，方案一的地震剪力最小。對(duì)X向地震剪力來(lái)說(shuō)，方案一的最大地震剪力為15000kN，是方案二最大地震剪力的75%，方案三的最大地震剪力的66.7%。隨著超高層建筑層數(shù)增加，3種方案X向地震剪力逐漸接近，對(duì)頂層地震剪力來(lái)說(shuō)，因?yàn)?種設(shè)計(jì)方案的差異性只在一層建筑上體現(xiàn)，差距較小，所以地震剪力基本相同。

對(duì)Y向地震剪力來(lái)說(shuō)，方案一的最大地震剪力為13000kN，是方案二最大地震剪力的72.2%，方案三的最大地震剪力的56.5%。隨著樓層升高，不同方案地震剪力差距并未明顯縮小。與X向地震剪力類似，49層至50層間地震剪力基本一致，約為500kN。通過(guò)對(duì)比分析不同方向的地震剪力可知，方案一高層設(shè)計(jì)方案的地震剪力比其他方案更小，穩(wěn)定系數(shù)更高。對(duì)X向地震剪力來(lái)說(shuō)，方案三的安全系數(shù)為1.33，方案二的安全系數(shù)為1.50，方案一的安全系數(shù)為2.0。對(duì)Y向地震剪力來(lái)說(shuō)，方案三的安全系數(shù)為1.30，方案二的安全系數(shù)為1.67，方案一的安全系數(shù)為2.30。

在地震荷載作用下，下部樓層約束效應(yīng)更顯著，上部樓層僅靠重力和相鄰樓層連接作用進(jìn)行固定，不同樓層之間會(huì)因變形不一致而出現(xiàn)位移角。高層建筑必須將位移角控制在極值范圍之內(nèi)，防止出現(xiàn)樓層坍塌[6]。圖3為不同方向?qū)娱g位移角對(duì)比分析，本文超高層建筑案例的層間位移角極值為0.00166。

對(duì)比圖2中不同方向?qū)娱g位移角可知，由于超高層建筑底部樓層受地基約束，而上部建筑受力自由，因此層間轉(zhuǎn)角隨著樓層高度增加，位移角呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。超高層建筑第一層受地基約束，因此基本不發(fā)生位移，層間位移角接近為0。隨著樓層增加，基礎(chǔ)約束效應(yīng)不斷減少，因此層間位移角不斷增加。而隨著樓層繼續(xù)增加，基礎(chǔ)約束效應(yīng)逐漸降至可忽略程度。此時(shí)高層建筑頂部沒(méi)有約束，屬于自由狀態(tài)，層間接近整體變形，因此層間位移角不斷變小。由圖2可知位移角最大值約在20層～30層出現(xiàn)，該位置大致在樓層中部，下部受基礎(chǔ)約束影響顯著，上部受樓層頂部自由變形影響顯著。

不同方案不同方向的位移角均小于位移角極值，因此3種方案均可以保證超高層建筑的穩(wěn)定性。從不同方向的位移角對(duì)比結(jié)果可知，方案一的位移角小于方案二和方案三。對(duì)X方向位移角來(lái)說(shuō)，方案一的最大位移角出現(xiàn)在第20層，為方案二最大位移角的66.7%（出現(xiàn)在第20層），方案三的最大位移角的60%（出現(xiàn)在第20層）。

對(duì)Y方向位移角來(lái)說(shuō)，方案一的最大位移角出現(xiàn)在30層，為方案二最大位移角的66.7%（出現(xiàn)在第30層），方案三的最大位移角的57%（出現(xiàn)在第30層）。通過(guò)不同方向地震位移角對(duì)比分析可知，方案一高層設(shè)計(jì)方案地震位移角比其他方案更小，穩(wěn)定系數(shù)更高。對(duì)X向地震位移角來(lái)說(shuō)，方案三的安全系數(shù)為1.49，方案二的安全系數(shù)為1.66，方案一的安全系數(shù)為2.49。對(duì)Y向地震位移角來(lái)說(shuō)，方案三的安全系數(shù)為1.41，方案二的安全系數(shù)為1.66，方案一的安全系數(shù)為2.49。

4 結(jié)論

本文針對(duì)超高層建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述和對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論。1）與局部十字梁分隔和局部“”字梁分隔方法相比，方向次梁分隔的設(shè)置方法在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，更節(jié)省單位面積鋼材料和投資。2）采用普通鋼筋混凝土柱作為外框架柱的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，在地震荷載作用下，抗震剪力和地震位移角均小于其他方案，是一種安全超高層建筑設(shè)計(jì)方式。框架-核心筒結(jié)構(gòu)方案是一種可靠實(shí)用的結(jié)構(gòu)方式。

參考文獻(xiàn)

[1]肖志秋. 基于性能目標(biāo)的框架-核心筒超高建筑抗震性能研究[D].綿陽(yáng)： 西南科技大學(xué)，2023.

[2]賀映候. 基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下超高層建筑動(dòng)力響應(yīng)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2020.

[3]郭小飛. 超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)值模擬及風(fēng)振響應(yīng)研究[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2020.

[4]韓亞洲. 某超高層建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方法研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2020.

[5]張延泰. 超高層建筑結(jié)構(gòu)地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)及倒塌安全儲(chǔ)備研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2019.

[6]葛林林. 超高層建筑結(jié)構(gòu)剪重比影響因素及抗震性能分析[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2018.