某塔類高層結(jié)構(gòu)是否為超限高層建筑工程的判定

陶榮杰

0 引言

近年來隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市的用地日益緊張，建筑物向空間高度拓展，高層建筑已非常普遍，甚至超高層建筑也屢見不鮮。另一方面，建筑物在滿足使用要求的前提下對美觀有了更多的追求，公眾審美觀的多樣化促使建筑師對建筑形態(tài)不斷變化和創(chuàng)新。為保證復(fù)雜高層建筑工程的抗震安全性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理有效性，除應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的要求外，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部還頒布了《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》，并配套了《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》。

1 超限高層建筑工程的判定

文獻(xiàn)[4]對高層建筑工程是否超限主要從以下幾個方面判別：（1）建筑高度是否超限；（2）建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性是否超限，其中規(guī)則性包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性兩個方面；（3）大跨度屋蓋建筑跨度是否超限；（4）特殊類型的高層建筑。達(dá)到超限標(biāo)準(zhǔn)的建筑工程則要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

超限高層建筑抗震審查是必要的。一方面，超限高層建筑結(jié)構(gòu)已超出相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程和有關(guān)的抗震規(guī)定的適用范圍。通過抗震審查，可以提高抗震設(shè)計(jì)的可靠性，避免安全隱患。另一方面，通過抗震審查，可以促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，為規(guī)范規(guī)程的修訂創(chuàng)造條件。

建筑結(jié)構(gòu)的高度和跨度是由建筑的造型、功能、定位等所決定的，由高度或跨度超限導(dǎo)致的抗震設(shè)防專項(xiàng)審查是不可避免的，從項(xiàng)目設(shè)計(jì)來說，有更多專家為項(xiàng)目把關(guān)、提建議，采取更嚴(yán)格更有針對性的抗震措施，對結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性是有益的。A 級高度的建筑工程因結(jié)構(gòu)規(guī)則性導(dǎo)致的超限，如果能通過結(jié)構(gòu)的調(diào)整，采取有效措施，減少不規(guī)則項(xiàng)，使項(xiàng)目未達(dá)到超限高層建筑的標(biāo)準(zhǔn)，則可以在保證結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的前提下，避免進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查，減少設(shè)計(jì)時(shí)間周期，降低工程造價(jià)。

2 工程案例

某工程主塔部分地下一層，地上至大屋面共十六層，大屋面以上為斜屋面，頂標(biāo)高為93.390m；地上主塔底部平面尺寸為46.2m×42.0m，主塔與裙樓間設(shè)五道變形縫，主塔地上為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。地下室主塔與裙樓間不設(shè)縫，平面尺寸為177.8m×73.1m。主塔部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其內(nèi)筒利用建筑樓、電梯間及前室等形成剪力墻“筒體”。主樓外圍部分框架柱在四層處進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，主樓外圍部分框架柱在六層、九層和十三層分別有1000mm、700mm 和400mm 的內(nèi)退。主塔部分三層以上剖面圖如圖1 所示。

圖1 主塔三層以上剖面圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：50 年；建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級；抗震設(shè)防烈度：8 度（0.2g）；多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值：0.16X1.4=0.224（建筑場地項(xiàng)目位于文獻(xiàn)[1]第4.1.8 條所規(guī)定的抗震不利地段）；抗震設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）；設(shè)計(jì)地震分組：第三組；場地類別：Ⅱ類；特征周期：0.45；基本風(fēng)壓：ω0=0.15kN/ m。

在本項(xiàng)目修建性詳細(xì)規(guī)劃及建筑方案審查會上，評審專家提出應(yīng)高度重視建筑的高層超限問題，并提出了以下超限意見：超限一：6、9、13 層外框架柱內(nèi)退1 000、700、400 形成托柱轉(zhuǎn)換，另4 層還有四周的托柱轉(zhuǎn)換。超限二：4 層7.5m 高，5 層4.2m高，形成4 層為軟弱層，剛度突變。超限三：四周外斗拱挑梁外挑長度≥4m，斜挑梁最大長度超過8m，為超長懸挑。超限四：有可能扭轉(zhuǎn)位移比＞1.2。建議進(jìn)行超限事項(xiàng)審查。

針對評審專家提出的關(guān)于超限的意見，在項(xiàng)目后續(xù)設(shè)計(jì)中采取了如下措施：（1）轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱、外挑大跨度梁均采用型鋼混凝土構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的承載力及抗震性能。（2）為避免4 層成為薄弱層，設(shè)計(jì)時(shí)在4 層外框架周邊較5 層多布置了8 片內(nèi)嵌鋼板的鋼筋混凝土剪力墻。（3）抗側(cè)力構(gòu)件在平面布置中盡量對稱、均勻，避免過大的偏心，加強(qiáng)外圍構(gòu)件的抗側(cè)剛度和強(qiáng)度，控制扭轉(zhuǎn)位移比＜1.2。四層梁托柱結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2，圖中虛實(shí)線表示梁中的型鋼。

圖2 四層結(jié)構(gòu)平面布置圖

在通過對主塔結(jié)構(gòu)的建模計(jì)算并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后，對于該結(jié)構(gòu)是否超限，給出了如下的說明。

2.1 高度

主塔地震烈度為8 度（0.20g），結(jié)構(gòu)類型為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，主樓高度89.20m（主樓頂標(biāo)高取塔尖層1/2 處標(biāo)高），小于100m，不屬于文獻(xiàn)[4]附件1 表1 中的高度超限。

2.2 規(guī)則性判定

（1）主塔考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.19，小于1.20，不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

（2）主塔偏心率最大值為0.13，相鄰層質(zhì)心相差值與相應(yīng)邊長最大比值為0.05，均小于0.15，不屬于偏心布置。

（3）主塔不存在平面凹凸、細(xì)腰形或角部重疊形，不屬于凹凸不規(guī)則和組合平面。

（4）主塔僅有二層樓板存在較多洞口，樓板有效寬度最小值為51%，開洞面積為17%，均滿足要求。主塔無錯層。因此不屬于樓板不連續(xù)。

（5）為避免出現(xiàn)薄弱層，設(shè)計(jì)時(shí)在4 層外框架周邊較5層多布置了8 片內(nèi)嵌鋼板的鋼筋混凝土剪力墻，經(jīng)計(jì)算四層側(cè)移剛度與五層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者大于1.0，按文獻(xiàn)[2]考慮層高修正時(shí)，4 層側(cè)移剛度與5 層相應(yīng)側(cè)移剛度比值為1.20，大于0.9，滿足側(cè)向剛度要求。4 層與5 層的層間受剪承載力之比為0.95，大于0.80，滿足層間受剪承載力的要求。其余各層也均滿足要求，因此主樓結(jié)構(gòu)不屬于剛度突變及承載力突變。

（6）主塔結(jié)構(gòu)在3 層處X 方向有45%的收進(jìn)，收進(jìn)位置處于結(jié)構(gòu)高度的13%，未超過豎向構(gòu)件收進(jìn)規(guī)定的高度限值。坡檐懸挑梁長度大于4m，但外挑部分無豎向構(gòu)件，文獻(xiàn)[2]3.5.5條文說明“本條所說的懸挑結(jié)構(gòu)一般指懸挑結(jié)構(gòu)中有豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況”，因此懸挑梁超過4m 不在此條范圍，主樓不屬于尺寸突變。

（7）主塔5、9、13 層外框架柱內(nèi)退1 000、700、400 形成托柱轉(zhuǎn)換及 4 層四周存在托柱轉(zhuǎn)換，屬于文獻(xiàn)[1]3.4.3-2 及文獻(xiàn)[4]附件1 表2 中的豎向構(gòu)件不連續(xù)。主塔結(jié)構(gòu)不是框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，無框支墻體，主塔的托柱轉(zhuǎn)換，不屬于文獻(xiàn)[4]中附件1 表4 中所列的框支墻體的高位轉(zhuǎn)換。

（8）主塔的扭轉(zhuǎn)周期比為0.84，小于0.90，不屬于抗扭剛度弱。

（9）由于主塔明層較暗層層高大，且有坡檐，因此明層與其相鄰下部暗層的質(zhì)量比有5 層均大于1.5，不滿足文獻(xiàn)[2]3.5.6 條要求。此條不在文獻(xiàn)[4]不規(guī)則種類中，因此在統(tǒng)計(jì)不規(guī)則種類數(shù)量時(shí)可不考慮。

（10）主樓不存在文獻(xiàn)[4]附件1 中其他所列不規(guī)則。

綜上所述，主塔部分有一項(xiàng)具有文獻(xiàn)[4]附件1 表2 中所列的不規(guī)則，不屬于文獻(xiàn)[4]中所列的超限工程。

本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)的評審專家及施工圖審查單位認(rèn)可了該主塔為非超限高層建筑的判定，可不進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

3 結(jié)論

對于A 級高度不滿足規(guī)則性要求的超限高層建筑，采取比規(guī)范要求更加有效的技術(shù)措施，往往會導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間周期變長，工程造價(jià)成本較大提高。通過本項(xiàng)目案例，說明通過正確的概念設(shè)計(jì)，精細(xì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置，減少不規(guī)則項(xiàng)，使項(xiàng)目成為非超限高層建筑是可行的。本工程案例也可為類似項(xiàng)目提供參考。