綜合體建筑超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王武君

摘要：文章以某綜合體建筑項(xiàng)目為例，根據(jù)綜合體建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究穩(wěn)定性較高的超限高層建筑物設(shè)計(jì)方案。該方案以核心筒布設(shè)在中間區(qū)域，采用雙重抗側(cè)力布設(shè)方法，組成建筑結(jié)構(gòu)體系，并合理設(shè)計(jì)各個(gè)樓層結(jié)構(gòu)布置方案。首先，通過調(diào)整與分析某超限高層綜合體結(jié)構(gòu)體系以及力學(xué)模型，對(duì)豎向收進(jìn)體型不規(guī)則建筑扭轉(zhuǎn)位移比μ的影響因素以及調(diào)整方法進(jìn)行了深入研究;其次，對(duì)建筑抗震性能進(jìn)行了模擬仿真分析。結(jié)果證明該方案合理可靠，可為豎向不規(guī)則建筑的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超限高層結(jié)構(gòu);綜合體建筑;抗震性能

綜合體建筑作為我國(guó)重要的建筑建設(shè)項(xiàng)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(fù)雜，穩(wěn)定性相對(duì)較差，必須對(duì)其樓層進(jìn)行限定。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)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(kuò)大需求，制訂超限高層結(jié)構(gòu)方案，成為建筑領(lǐng)域的重要研究方向。與常規(guī)意義上的高層建筑而言，超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著更為復(fù)雜與具體的需求，從高度上來看，超限高層建筑高度是普通高層無法觸及的，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中也面臨著一定的難度與挑戰(zhàn)，必須謹(jǐn)慎對(duì)待結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，以最大限度的確保超限高層結(jié)構(gòu)功能的正常實(shí)現(xiàn)。本文即結(jié)合某辦公樓建筑項(xiàng)目實(shí)例，針對(duì)超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析與研究，在分析地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)之上，對(duì)整個(gè)超限高層結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行合理優(yōu)化，并探討了在鋼管混凝土疊合柱以及梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵策略，望能夠引起業(yè)內(nèi)人員的關(guān)注與重視，以合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保障超限高層建筑結(jié)構(gòu)功能正常使用。

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(xiàng)功能于一體。由于建筑功能較為復(fù)雜，為了滿足不同樓層的使用需求，分別為其設(shè)定層高，并設(shè)置防震縫，以此加強(qiáng)各個(gè)樓層鋼筋的穩(wěn)定性。

2建筑超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1建筑總體結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

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(chǔ)。建筑總體結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案。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。建筑總體結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案

2.2基于力學(xué)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。由于該研究項(xiàng)目建筑未設(shè)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(jì)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(jìn)期間裙樓上半部分樓層的結(jié)構(gòu)剛度與標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，使抗震性能嚴(yán)重偏離預(yù)期目標(biāo)。綜合體建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。假設(shè)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(guān)關(guān)系，用以下公式來描述：（1）如果僅調(diào)整樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件，認(rèn)為建筑總質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對(duì)構(gòu)件的影響較小，并且在調(diào)整局部構(gòu)件的剛度時(shí)，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(jì)。依據(jù)反應(yīng)譜曲線變化特點(diǎn)認(rèn)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(guān)關(guān)系，地震力隨著其他兩個(gè)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(guān)系，對(duì)公式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到關(guān)系模型：設(shè)計(jì)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(fù)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(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可以得到計(jì)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(jì)算還可以掌握參數(shù)μ1與參數(shù)η之間的關(guān)系，二者之間同樣存在正相關(guān)關(guān)系。因此，建筑結(jié)構(gòu)調(diào)整方案中，應(yīng)該減小參數(shù)η，如增加裙樓剛度等，確保建筑各個(gè)樓層參數(shù)μ數(shù)值均<1.4。

2.3結(jié)構(gòu)平面布置設(shè)計(jì)

該建筑塔樓平面為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度為30.8m、寬度為43.6m，結(jié)構(gòu)高寬比設(shè)置為6.4，建筑中央位置布設(shè)核心筒;布設(shè)平面尺寸長(zhǎng)度為23.9m、寬度為13.3m，結(jié)構(gòu)高寬比設(shè)置為14.9。以建筑上部分酒店功能和辦公功能為例，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)平面布置方案如圖3所示。對(duì)辦公用房樓層平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)注了樓層各個(gè)單元活動(dòng)面積劃分尺寸;對(duì)酒店客房樓層平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)注了樓層各個(gè)單元活動(dòng)面積尺寸。這些建筑結(jié)構(gòu)具有相同的布設(shè)特點(diǎn)，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(shè)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(jìn)方法進(jìn)行布置。

2.4風(fēng)荷載與地震設(shè)計(jì)規(guī)范

該設(shè)計(jì)方案以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）為參考依據(jù)，設(shè)定風(fēng)壓參數(shù)為0.45kN/m2，按照建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)施工規(guī)程，將施工場(chǎng)地地面粗糙程度設(shè)定為B類，取值1.44。按照50年重現(xiàn)期，取基本風(fēng)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(xiàng)指標(biāo)數(shù)值的設(shè)定，將結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)定為5%。另外，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB50011—2010），設(shè)定該項(xiàng)目的抗震設(shè)防指標(biāo)為7度。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察可知，施工現(xiàn)場(chǎng)地震類別為Ⅲ類，對(duì)應(yīng)的特征周期為0.5s。當(dāng)建筑所處位置發(fā)生大型地震時(shí)，特征周期為0.55s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.06。當(dāng)該區(qū)域發(fā)生的地震等級(jí)為中等或者低等時(shí)，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(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案是否可靠，文章對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬仿真分析。建筑結(jié)構(gòu)抗震性能模擬測(cè)試結(jié)果。從中可以看出，文章提出的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的抗震性。在滿足結(jié)構(gòu)抗震安全性要求的同時(shí)，為人們提供了多項(xiàng)服務(wù)。

4結(jié)論

文章通過對(duì)上述工程項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)分析與調(diào)整，得出以下結(jié)論：（1）在建筑豎向體型收進(jìn)，樓的一側(cè)存在裙樓偏置情況，建筑未設(shè)防震縫的情況下，抗震性能嚴(yán)重偏離預(yù)期目標(biāo)。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(duì)構(gòu)件的影響較小，調(diào)整局部構(gòu)件的剛度時(shí)，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(jì)。（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(guān)關(guān)系，地震力隨著其他兩個(gè)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(guān)關(guān)系?？梢酝ㄟ^增加裙樓剛度等方法調(diào)整剛度比，確保建筑各個(gè)樓層參數(shù)μ數(shù)值滿足預(yù)期要求。針對(duì)超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析與研究，在分析地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)之上，對(duì)整個(gè)超限高層結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行合理優(yōu)化，并探討了在鋼管混凝土疊合柱以及梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵策略，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的研究中得出了兩點(diǎn)結(jié)論：第一，在超限高層建筑結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)樁端后注漿處理能夠有效加固樁端土體，對(duì)超限高層建筑后期沉降量有良好的控制效果;第二，在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土疊合柱節(jié)點(diǎn)連接的方式，不但能夠增加節(jié)點(diǎn)剛度水平，為結(jié)構(gòu)施工提供便利，還能夠使節(jié)點(diǎn)傳遞梁內(nèi)彎矩作用力以及剪切作用力的傳遞效果得到改善。望上述研究能夠引起業(yè)內(nèi)人員的關(guān)注與重視，以合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保障超限高層建筑結(jié)構(gòu)功能正常使用。

參考文獻(xiàn)：

向英.超高層建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要點(diǎn)探討[J].住宅與房地產(chǎn)，2020（15）：89.