某超高層結構設計探討

曹珉

摘要：本文通過具體工程實例，介紹了某高層建筑結構方案的決策過程，采用多個程序對整體參數(shù)進行了比較，對整體結構進行了彈性時程分析，計算結果表明均能滿足規(guī)范要求?？蔀橥性O計提供參考。

關鍵詞：超限高層；結構設計；結構選型；彈性時程分析

一、工程概況

某工程總建筑面積達106737m2，主樓部分地上39層，避難層設于第16、31 層，建筑高度149.9m（至女兒墻頂為160m），裙樓部分地上7層，建筑高度為33. 5m（至女兒墻頂為39.5m），主要作為酒店的公共空間，裙樓屋面設有室內(nèi)游泳池；地下室2層，深10.5m，主要為車庫和設備間，地下兩層局部6級人防。建筑效果圖見圖1。

主樓和裙樓在地面以上設置抗震縫斷開，分為各自獨立的兩個結構，主樓采用框架-核心筒結構，裙房采用框架- 剪力墻結構，整個地下室連為一體。

該工程設計使用年限為50年，安全等級為二級，建筑抗震設防分類按標準設防類（丙類）設計，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.05 g，建筑場地類別為Ⅳ類，結構重要性系數(shù)取1. 0。地基基礎設計等級為甲級。裙樓框架的抗震等級為四級，剪力墻的抗震等級為三級；主樓框架的抗震等級為三級，核心筒抗震等級為二級。

二、結構選型

（一）嵌固端驗算

根據(jù)建筑單體地面以上范圍向外圍延伸兩跨，計算出地下1層剪切剛度的原則，得出主樓地下1層剛度是地上1層剛度的2.81倍（X向），11.26倍（Y向）。裙房地下一層剛度是地上一層剛度的8.07倍（X向），7.70（Y向）。在設計時地下室頂板采用現(xiàn)澆梁板體系，樓板厚度取180mm，配筋采用雙層雙向，配筋率不小于0.25%。按照規(guī)范規(guī)定，上部兩棟建筑可取地下室頂板作為嵌固端。

（二）主樓結構布置

主樓采用框架-核心筒結構體系，利用中心位置的電梯井、樓梯間等合適部位布置剪力墻，周邊則布置框架柱，核心筒為主要的抗側力構件，墻厚為500～250mm；周邊框架柱則承擔了大部分的豎向荷載，框柱截面尺寸1000mm×1400mm～800mm×800mm。

豎向構件混凝土強度等級從C60漸變到C40，并且與截面變化錯開?？刂平Y構底部多數(shù)框架柱的軸壓比不超過0.9，但由于建筑對主樓的框架柱大小限制，個別框架柱的最大軸壓比已達0.92，所以對個別框架柱采取加鋼筋芯柱及設置復合箍筋等措施增強延性來滿足軸壓比限值要求。主樓標準層平面見圖2

（三）裙房結構布置

裙房采用框架-剪力墻結構體系，規(guī)范規(guī)定此體系剪力墻宜均勻布置在建筑物周邊附近，受建筑功能使用限制，該工程剪力墻不能隨便布置，設計優(yōu)先利用建筑樓梯，電梯井道布置剪力墻，盡可能使剛度均勻對稱，以減少結構的扭轉效應，同時為減弱荷載不均勻導致的扭轉效應，增大了外圈框架梁的截面尺寸（600mm×900mm），增加了結構的抗扭剛度。裙房標準柱距8.4m，柱截面尺寸800mm×800mm，框架梁截面450mm×700mm，梁板柱混凝土強度等級均為C40。

裙房設有大堂及多功能廳，跨度分別達到2m和27m，且大跨屋頂上設有游泳池，所以大堂及多功能廳屋頂均使用后張有粘結預應梁，截面分別為500mm×1800mm500mm×1500mm，較好的解決了大跨、超重情況下構件的承載力、裂縫和撓度問題。裙房標準層平面見圖3。

（四）基礎設計

主樓基礎采用樁筏，筏板厚2.4m，樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑1100mm，樁有效長93m，以10-3中風化凝灰?guī)r為樁基持力層，單樁承載力特征值約12000kN。

裙樓基礎采用樁基承臺結構，承臺高為1.5～2.0m，承臺間設800mm厚防水板；樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑800mm，樁有效長度65m，以8-1黏土層為樁基持力層，單樁承載力特征值約4000kN。無上部結構部分地下室基礎采用抗拔樁筏板結構，筏板厚800mm，抗拔樁樁徑600mm，樁有效長度46m，單樁抗壓承載力特征值約2000kN，單樁抗拔特征值約1200kN。

（五）結構超長、超厚的有效措施

整個建筑地下室南北長達150m，東西長達13 m，結構超長，遠超于規(guī)范規(guī)定的地下室墻壁類結構伸縮縫最大間距30m；基礎底板厚度較大，屬于大體積混凝土，收縮應力明顯。為減少施工期間超長、超厚混凝土的收縮變形對結構的影響，采取以下措施：

1）進行詳細的溫度應力和收縮應力分析，采取相應的內(nèi)力組合進行構件設計。

2）除沉降后澆帶以外，每隔30～40 m 左右設置伸縮后澆帶，裙房范圍內(nèi)的伸縮后澆帶，由基礎底板貫通至建筑屋面。

3）對地下室底板，外墻及頂板的混凝土要求添加微膨脹纖維抗裂劑，并適當加強外墻水平拉通鋼筋、頂板拉通鋼筋。

4）對純地下車庫，上部覆土在結構施工完后及早進行回填覆蓋。

三、結構超限類型

（一）結構高度

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，設防烈度為6度時，框架-核心筒結構限制高度為150m，框架-剪力墻結構限制為130m。

該工程主樓和裙房結構高度分別為149.9m 和33. 5m，均為高度不超限結構。

（二）規(guī)則性

1、主樓規(guī)則性分析

1）SATWE程序計算結果顯示，在考慮偶然偏心的扭轉位移比均大于1. 2，小于1.4，屬于扭轉不規(guī)則。

2）因建筑入口大堂中庭空間要求大開洞，結構2 層樓板開洞面積大于30%，屬于樓板不連續(xù)。也形成跨越二個層高的穿層柱，柱高9m。

2、裙房規(guī)則性分析

1）SATWE 和PMSAP兩種程序計算結果顯示，在考慮偶然偏心的扭轉位移比均大于1.2，小于1.4，屬于扭轉不規(guī)則。

2）因建筑大空間要求，裙房多功能廳及其前廳挑空，導致結構四層樓板開洞面積大于30%，屬于樓板不連續(xù)。

3）建筑在五層平面（大屋頂）處，豎向構件位置收進大于25%，導致尺寸突變。

（三）超限類型判定

該工程主樓結構屬于高度不超限高層建筑，且只有二項一般規(guī)則性超限：“扭轉不規(guī)則”、“樓板不連續(xù)”。故主樓不屬于超限高層。而裙房高度不超限，但同時具有三項一般規(guī)則性超限：“扭轉不規(guī)則”、“樓板不連續(xù)”和“剛度突變”，故裙房屬于超限高層。

（四）結構加強措施

1、主樓加強措施

主樓不屬于超限高層建筑，但高度達149.9 m，接近A 級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度。設計中采取以下措施：

1）為提高結構整體抗扭能力，對外圍框架裙梁加大截面尺寸，提高其剛度。

2）對底部框架柱采取加鋼筋芯柱及設置復合箍筋等措施增強延性。

3）加強底部墻數(shù)量及增加厚度，以保證底層內(nèi)筒占總傾覆力矩比例接近80%。

2、裙房加強措施

1）對于裙房多功能廳大空間，導致的樓板開洞及不連續(xù)，在四層處樓板加厚為140 mm，并雙層雙向通長配筋且配筋適當加強。在計算時，考慮到樓板不連續(xù)對結構整體有較大的影響，此時樓板在自身平面內(nèi)剛度無限大的假定不適用，內(nèi)力計算時，4層樓板均采用彈性殼單元來模擬。

2）由于結構平面不對稱和剛度的不均勻，整體扭轉效應比較明顯，所以在不影響建筑功能的基礎上，四周樓梯處及電梯井處布置剪力墻，同時加大外圍框架梁截面，使結構有很好的抗扭剛度。

3）對于5 層平面處豎向體型突變部位的樓板加強，板厚為150 mm，且雙層雙向配筋，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0. 25%。體型突變部位的上下層結構的樓板也加強構造措施。

四、結構計算分析

（一）主樓計算分析

主樓計算采用SATWE 軟件（2011年9月份版本）。計算考慮偶然偏心地震作用、扭轉耦聯(lián)與施工模擬工況。采用SATWE雙向地震作用進行結構包絡設計，計算取18個振型，整體計算結果見表1。

從表1 中數(shù)據(jù)可見，各項指標均滿足規(guī)范限值要求。

（二）裙房計算分析

裙房結構整體計算分別采用由中國建筑科學研究院研制的SATWE 和PMSAP 程序進行，同時采用彈性時程分析模塊進行了彈性時程分析補充計算。

1、兩種軟件計算結果對比

SATWE 和PMSAP 兩種軟件整體計算結果比較見表2。

根據(jù)兩個軟件的分析結果對照可知：（1）兩軟件計算分析的結構反應特征、

變化規(guī)律基本吻合，各項指標基本一致，說明結果較為可信；（2）結構具有合適的剛度，符合工程經(jīng)驗及力學概念所做的判斷，且滿足各種工況下的計算要求，各項計算指標均滿足規(guī)范要求。

2、彈性時程分析

采用SATWE 軟件對結構進行彈性時程分析補充計算并與反應譜法的計算結果進行對比。選用地震波RH1TG075，TH1TG075 以及TH3TG075. 其均為SATWE 提供的地震波，X、Y向三條地震加速度時程曲線的最大值為18cm/s2，地震力放大系數(shù)人工波和天然波均取1.0，主要計算結果見表3。

注：比值= 時程基底剪力/反應譜基底剪力

由表3 可以看出，每條時程曲線計算的結構基底剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，其平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，時程分析的計算結果、結構反應特性、變化規(guī)律與反應譜法基本吻合。

五、結語

本文總結了該工程主樓采用框架-核心筒結構，裙房采用框架-剪力墻結構均是比較經(jīng)濟合理的結構體系。主樓建筑高度接近A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，整體計算結果表明，在多遇地震作用下，各項指標均滿足規(guī)范要求。裙房存在扭轉不規(guī)則、樓板不連續(xù)和剛度突變等超限情況，通過合理的結構布置，對薄弱部位采用有效加強措施，最后通過兩種計算軟件的對比分析以及彈性時程補充分析，計算結果顯示，各項指標均能滿足規(guī)范要求；可見該工程結構的抗震性能較為合理可靠，能夠滿足抗震設防的要求。