基于某超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案探討

姚滿心

摘要：文章通過結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)某超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行了分析與研究，主要從結(jié)構(gòu)選型與布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了論述，以供建筑結(jié)構(gòu)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)計(jì)算；抗震設(shè)計(jì)

1 工程概況

某超高層酒店，一共45層，總建筑面積是68000㎡，主要分為主樓和裙樓兩部分。地下3層，為車庫(kù)和六級(jí)人防兼設(shè)備用房，建筑總高為140m。地下室底板面標(biāo)高-14.000m，室外地面標(biāo)高為-0.250m，建筑采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為VII度。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

2.1 結(jié)構(gòu)選型

本工程主體高140m，平面布置規(guī)則，接近正方形，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析采用現(xiàn)澆鋼筋 混凝 土筒 中筒結(jié)構(gòu)。內(nèi)筒為剪力墻，外筒由密柱高裙梁組成。另結(jié)合建筑功能在外筒體四角處布置部分剪力墻，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度和外筒的整體抗彎能力。

2.2主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件

外筒柱在底層為適應(yīng)建筑入口的要求采用1100×1100 mm方柱，二層至頂層則由1400×800mm變至1400×600扁柱。內(nèi)筒外墻在底部500mm厚，頂部變?yōu)?00mm。內(nèi)隔墻上下均300mm。為提高墻體的極限承載力和延性，對(duì)不小于400mm厚的剪力墻在每層樓面處均設(shè)置高為700mm 暗梁。

外框筒梁在底部層高4.8m樓層截面大多為 500×1600mm，層高3.1m 標(biāo)準(zhǔn)層截面大多為 500×1300mm。內(nèi)筒連梁在底部截面大多為墻厚×1600mm，標(biāo)準(zhǔn)層截面大多為墻厚×1000mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)從底部的C60逐漸過度到38層的C35，38層以為C40。

2.3 樓蓋選型

該工程內(nèi)外筒軸跨度12m，樓蓋的選型對(duì)使用功能、結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性影響較大，為此做了多種方案的比較。

（1）內(nèi)外筒間加柱，減小樓蓋跨度，采用普通鋼筋混凝土梁板體系。該方案工藝簡(jiǎn)單，自重輕，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，設(shè)計(jì)、施工方便，但建筑使用功能較差，目前國(guó)內(nèi)的筒中筒和框筒結(jié)構(gòu)中較少采用。

（2）內(nèi)外筒間在柱軸線上采用間距4.2m的預(yù)應(yīng)力梁，梁間樓板由于跨度小，可用普通鋼筋混凝土板。該方案樓蓋自重輕，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，但梁高對(duì)樓層凈空有影響，要求較大層高。

（3）內(nèi)外筒間不設(shè)梁，采用“環(huán)形”預(yù)應(yīng)力混凝土平板。該方案結(jié)構(gòu)高度最小，凈空大，在建筑總高不變的情況下，樓層數(shù)和建筑面積最多，板底平整美觀，利于管道通行，模板體系也簡(jiǎn)單，但樓蓋自重大，內(nèi)力復(fù)雜，樓蓋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不理想。

由于業(yè)主要求在建筑總高限定的情況下有盡可能多的層數(shù)，經(jīng)過方案比較，在1層、1 0 ～39層辦公和客房部分的樓蓋采用預(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)，板厚270mm：在2—9層公共用房部分因?yàn)橐鸵黄诠こ踢B通，層高較大，采用預(yù)應(yīng)力梁、普通鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)，梁截面為400×650mm。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）采用 PKPM系列軟件中的SE和TAT進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算，由于結(jié)構(gòu)較規(guī)則，兩者的總體計(jì)算結(jié)果接近。但SATVVE和TAT的剪力墻計(jì)算模型不同，墻體的局部?jī)?nèi)力和配筋有些差異，施工圖設(shè)計(jì)中，采用了更符合實(shí)際情況的SE墻元模型的計(jì)算結(jié)果。以下是考慮平扭藕連作用的主要分析結(jié)果。

①空間振型的周期；T1=2.41（Y方向平動(dòng)系數(shù)1.0）；T2 = 2.1O（X，向平動(dòng)系數(shù)1.0）；T3=1.04（扭轉(zhuǎn)系數(shù)1.O）。

②X方向地震作用時(shí)：最大層間位移角1/2328；底層剪重比2.85%。

③Y方向地震作用時(shí)：最大層間位移角 1/1760；底層剪重比2.74%。

④樓層最大層間位移與樓層平均層間位移的比值均在1.O5之內(nèi)。

（2）進(jìn)行了多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，選用甘肅省地震局提供的二組實(shí)測(cè)波和一組場(chǎng)地模擬波，地震加速度時(shí)程曲線的最大值為70cm/s。計(jì)算結(jié)果顯示時(shí)程分析所得的各項(xiàng)結(jié)果的平均值，均小于考慮藕連影響的CQC法的計(jì)算結(jié)果。

3.2計(jì)算結(jié)果分析

（1）由以上計(jì)算結(jié)果可看出，結(jié)構(gòu) 的周期和位移均在合理范圍內(nèi)，但結(jié)構(gòu)底層剪重比較小，這主要是結(jié)構(gòu)本身的長(zhǎng)周期動(dòng)力特性和振型分解反應(yīng)譜法的特點(diǎn)所決定，對(duì)地震作用的仙計(jì)可能偏低。如果仍通過加 大構(gòu)件尺寸來(lái)增大剛度，提高地震作用，從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看是不太合理的。所以本工程對(duì)地震作用乘以放大系數(shù)1.25，使結(jié)構(gòu)底層剪重比不小于3 .2 %。放大地震作用后的結(jié)構(gòu)位移等參數(shù)均能滿足規(guī)范要求，并且放大后的結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)基本不小于彈性時(shí)程分析的結(jié)果，說明按振型分解反應(yīng)譜法的結(jié) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的。

（2）第一扭轉(zhuǎn)振型的周期小于第一、二平動(dòng)振型周期的O.5倍，結(jié)構(gòu)平扭耦連效應(yīng)小。另外樓層最大層間位移與樓層平均層間位移的比值均在1.O5之內(nèi)，這均說明結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則、對(duì)稱、抗扭剛度大。

（3）設(shè)計(jì)中由于外筒有剛度較大的裙梁，角部設(shè)有部分剪力墻，使外筒整體抗彎能力大大加強(qiáng)，作為立體構(gòu)件的工作特點(diǎn)明顯，剪力滯后較小。在水平力作用下，由外筒柱、墻軸力形成的整體彎矩承擔(dān)了底部總傾覆力矩的65%左右，角部墻體應(yīng)力和翼緣框架中柱應(yīng)力的比值在 2以內(nèi)，內(nèi)簡(jiǎn)墻體和外筒角部墻體均勻承擔(dān)了總剪力的9O%左右，各構(gòu)件基本無(wú)超筋超限的情況。

（4）在水平力作用下，豎向剛度均勻的簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的樓層位移曲線一般呈反S形，出現(xiàn)最大層間位移角的反彎點(diǎn)一般在房屋高度的中上部。本工程在38層以下符合此規(guī)律，但在38層以上又出現(xiàn)了另一個(gè)有著較大層間位移角的反彎點(diǎn)，說明外框筒在39層的中斷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度 削弱較大，形成一個(gè)薄弱部位。

4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

本工程高度140m，已超過規(guī)范規(guī)定的最大適用高度的2O%，存在高度超規(guī)范較多的高度超限問題。另外由于建筑功能要求，豎向存在有剛度突變而引起的薄弱層問題。對(duì)于這兩個(gè)較突 出問題，本工程設(shè)計(jì)中注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，采取 了一些綜 合性抗震加強(qiáng)措施，抗 震計(jì) 算結(jié)果分析也表明，這些措施 的采取是必要的，也是有效的。

（1）滿足建筑功能要求的前提下，將主樓與裙樓設(shè)縫分開。即避免了主裙樓連為一體而 引起 的結(jié) 構(gòu)豎向剛度的突變，也避免了超高主樓對(duì)九層裙樓產(chǎn)生的較大偏心和連為一體后 結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性。從而使主樓筒中筒結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置可盡量滿足規(guī)則性的要求。

（2）在房屋四角結(jié)合建筑布置，設(shè)置部分墻體，增大結(jié)構(gòu)剛度，使其在水平力作用下承擔(dān)相應(yīng)比例的內(nèi)力，減輕內(nèi)簡(jiǎn)和外柱的最大內(nèi)力。

（3）選擇可靠的持力層，加大基礎(chǔ)埋深，由此保證超高建筑的抗傾覆能力。

（4）進(jìn)行專門的場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)，確保場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的可靠性。

（5）在彈性階段的抗震驗(yàn)算中，采用兩種不同的計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)選用了兩組實(shí)測(cè)波和一組場(chǎng)地人工波進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析的補(bǔ)充計(jì)算。

（6）增大地震作用下的底層剪重比，提高結(jié)構(gòu)可靠度，使縱橫向剪重比均不小于3.2%。

（7）采用比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的變形能力和耗能性能。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要介紹了某高層建筑現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒中筒超限高層的結(jié)構(gòu)布置，抗震計(jì)算分析，主要抗震措施及有關(guān)的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，為以后在這方面的設(shè)計(jì)提供有利的參考價(jià)值。

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