某綜合體建筑超限高層結(jié)構(gòu)設計研究

開源國際建筑設計院（廣州）有限公司，廣東 廣州 510000

綜合體建筑作為我國重要的建筑建設項目，突破了建筑功能局限性，提高了空間資源利用率。由于綜合體建筑結(jié)構(gòu)較為復雜，穩(wěn)定性相對較差，必須對其樓層進行限定[1]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對綜合體建筑樓層的高度提出了新的要求，如何在滿足穩(wěn)定性的前提條件下，盡可能地滿足建筑空間的擴大需求，制訂超限高層結(jié)構(gòu)方案，成為建筑領域的重要研究方向[2]。

1 工程概況

某建筑物坐落于商業(yè)圈，與地鐵站距離較短，交通便利，集辦公、休閑娛樂、居住等多項功能于一體。由于建筑功能較為復雜，為了滿足不同樓層的使用需求，分別為其設定層高，并設置防震縫，以此加強各個樓層鋼筋的穩(wěn)定性。

2 建筑超限高層結(jié)構(gòu)設計

2.1 建筑總體結(jié)構(gòu)體系設計

該研究將核心筒插入建筑結(jié)構(gòu)模型中，獲取雙道抗震防線的構(gòu)件，為提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性奠定基礎。建筑總體結(jié)構(gòu)體系設計方案如圖1所示。在圖1中，左側(cè)是建筑結(jié)構(gòu)模型，中間是核心筒，右側(cè)是框架柱，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有建筑的第1道抗震防線構(gòu)件，穩(wěn)定性能較高。

圖1 建筑總體結(jié)構(gòu)體系設計方案

2.2 基于力學模型的建筑結(jié)構(gòu)調(diào)整

扭轉(zhuǎn)位移比μ是建筑結(jié)構(gòu)偏心的重要參數(shù)，通常情況下，采取減小樓層質(zhì)量中心與剛度中心之間的偏心距的方法控制μ＜1.4[3]。由于該研究項目建筑未設防震縫，在塔樓的一側(cè)存在裙樓偏置情況，在此條件下μ＞1.4。經(jīng)計算分析可知，這種常用的操作手段無法控制μ，其原因是豎向體型收進期間裙樓上半部分樓層的結(jié)構(gòu)剛度與標準存在一定差異，使抗震性能嚴重偏離預期目標。綜合體建筑結(jié)構(gòu)力學模型如圖2所示。

圖2 綜合體建筑結(jié)構(gòu)力學模型

假設塔樓地震力為F1、塔樓質(zhì)量為m1、塔樓結(jié)構(gòu)剛度為K1，樓層扭轉(zhuǎn)位移比μ與裙樓地震力F2、塔樓質(zhì)量m2、塔樓結(jié)構(gòu)剛度K2存在相關關系，用以下公式來描述：

如果僅調(diào)整樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件，認為建筑總質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對構(gòu)件的影響較小，并且在調(diào)整局部構(gòu)件的剛度時，建筑整體結(jié)構(gòu)周期變化幅度較小，其影響可以忽略不計。依據(jù)反應譜曲線變化特點認為，結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)周期、地震力之間存在一定的相關關系，地震力隨著其他兩個變量的減小而下降。由此可以推斷，要想調(diào)整豎向構(gòu)件剛度，需要保證參數(shù)F2、F1、m2、m1恒定。依據(jù)此關系，對公式（1）進行轉(zhuǎn)換，可以得到關系模型：

設計建筑結(jié)構(gòu)期間，為了調(diào)整參數(shù)μ，使其滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置要求，需要考慮以下三種調(diào)整情況：（1）無偏心，參數(shù)記為μ0；（2）正偶然偏心，參數(shù)記為μ1；（3）負偶然偏心，參數(shù)記為μ2。該方案以4層建筑物為例，將建筑項目相關數(shù)據(jù)代入公式中，可以得到計算結(jié)果。由此可知，該建筑工程受正偶然偏心的影響最大。另外，通過計算還可以掌握參數(shù)μ1與參數(shù)η之間的關系，二者之間同樣存在正相關關系。因此，建筑結(jié)構(gòu)調(diào)整方案中，應該減小參數(shù)η，如增加裙樓剛度等，確保建筑各個樓層參數(shù)μ數(shù)值均＜1.4。

2.3 結(jié)構(gòu)平面布置設計

該建筑塔樓平面為長方形，長度為30.8m、寬度為43.6m，結(jié)構(gòu)高寬比設置為6.4，建筑中央位置布設核心筒；布設平面尺寸長度為23.9m、寬度為13.3m，結(jié)構(gòu)高寬比設置為14.9。以建筑上部分酒店功能和辦公功能為例，設計結(jié)構(gòu)平面布置方案如圖3所示。

圖3 建筑上部結(jié)構(gòu)樓層平面布置設計方案（單位：mm）

圖3（a）對辦公用房樓層平面布置進行設計，標注了樓層各個單元活動面積劃分尺寸；圖3（b）對酒店客房樓層平面布置進行設計，標注了樓層各個單元活動面積尺寸。這些建筑結(jié)構(gòu)具有相同的布設特點，均選取柱內(nèi)型鋼作為結(jié)構(gòu)延伸性提高工具。在界面的底層布設型鋼混凝土柱，規(guī)格為1700mm×1700mm，隨著樓層的增加，型鋼混凝土柱尺寸逐漸減小，頂層規(guī)格為800mm×800mm，采用分段收進方法進行布置。

2.4 風荷載與地震設計規(guī)范

該設計方案以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）為參考依據(jù)，設定風壓參數(shù)為0.45kN/m2，按照建筑結(jié)構(gòu)技術施工規(guī)程，將施工場地地面粗糙程度設定為B類，取值1.44。按照50年重現(xiàn)期，取基本風壓參數(shù)數(shù)值是規(guī)范值的1.1倍，根據(jù)承載力和位移兩項指標數(shù)值的設定，將結(jié)構(gòu)阻尼比設定為5%。

另外，按照《建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010），設定該項目的抗震設防指標為7度。通過現(xiàn)場實地勘察可知，施工現(xiàn)場地震類別為Ⅲ類，對應的特征周期為0.5s。當建筑所處位置發(fā)生大型地震時，特征周期為0.55s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.06。當該區(qū)域發(fā)生的地震等級為中等或者低等時，結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)比有所減小，取值0.05。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)超限判斷及建筑抗震性能分析

為了驗證上述設計方案是否可靠，文章對設計方案進行模擬仿真分析。建筑結(jié)構(gòu)抗震性能模擬測試結(jié)果如表1所示。

表1 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能模擬測試結(jié)果

從表1中可以看出，文章提出的建筑結(jié)構(gòu)設計方案具有較強的抗震性。在滿足結(jié)構(gòu)抗震安全性要求的同時，為人們提供了多項服務。

4 結(jié)論

文章通過對上述工程項目進行技術分析與調(diào)整，得出以下結(jié)論：（1）在建筑豎向體型收進，樓的一側(cè)存在裙樓偏置情況，建筑未設防震縫的情況下，抗震性能嚴重偏離預期目標。常規(guī)手段無法控制扭轉(zhuǎn)位移比μ。（2）僅調(diào)整樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑總質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對構(gòu)件的影響較小，調(diào)整局部構(gòu)件的剛度時，建筑整體結(jié)構(gòu)周期變化幅度較小，其影響可以忽略不計。（3）結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)周期、地震力之間存在一定相關關系，地震力隨著其他兩個變量的減小而下降。（4）扭轉(zhuǎn)位移比μ與塔樓裙房之間剛度比η存在正相關關系。可以通過增加裙樓剛度等方法調(diào)整剛度比，確保建筑各個樓層參數(shù)μ數(shù)值滿足預期要求。