超高层建筑结构设计的探讨

超高层建筑结构设计的探讨

万迎春

深圳市建筑设计研究总院有限公司

摘要：建筑结构设计工作异常重要，直接决定着建筑整体安全稳定性、使用性能完善性，以及居住的舒适性。本文结合工程实际，对其结构设计方面进行探讨。

关键词：超高层建筑；结构体系；结构设计

1、工程概况

本项目为45层超高层建筑。首层为大堂、临街商铺，2层为商铺内部用房，3层～45层为住宅。屋面建筑标高为148.560。地下室共2层，底板面标高－6.000，地下1层，2层均为停车库及设备用房。首层层高4.8m，2层3.2m，3层3.28m；4层～45层中奇数层（复式下层）3.28m，偶数层（复式上层）3.2m。工程所处位置抗震设防烈度为7度（0.15g），Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，特征周期0.45s。承载力计算时，基本风压按100年重现w0=0.75kN/m2考虑；计算水平位移时，按50年重现期w0=0.65kN/m2考虑，地面粗糙度类别为B类。结构安全等级为二级，重要性系数为1.0，设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

2、基础方案

地勘报告显示，地基土以淤泥质土、粗砂层和粘性土为主，地表下20m深度范围内饱和砂土无液化问题。本场地地层结构复杂，砂层层数多，中间夹杂多层淤泥或淤泥质土层，对基础设计、施工带来一定难度。设计中综合考虑，塔楼范围内基础采用整浇桩筏基础，桩基础采用后注浆钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩端持力层为地勘报告中的第⑩层中砂层，其桩端承载力特征值qpa=1200kPa，成桩系数取为0.6，桩径为1000mm，桩长约50m，单桩承载力特征值7200kN，承台厚度2200mm。

3、结构体系

建筑每两层为一个复式，共由21个复式叠合而成。结构标准层方案如图1，图2所示。结构高宽比达到9.0，超过规范最大适用高宽比。在风荷载和地震作用均较大的地区，结构最大位移角较难控制。

该工程采用剪力墙结构体系。首层架空层层高大于相邻2层。为了减少楼层刚度突变，设计中对各栋底部的剪力墙都作了加厚处理，使本层与上部相邻楼层侧向刚度比γ2≥1.1。为了提高结构的抗侧刚度，早期的结构方案中设置了加强层，后来通过与建筑专业协商，剪力墙设置成多个筒结构，且剪力墙尽量对齐，大大提高了结构的整体性和刚度，从而为满足高烈度区的各项指标提供了保证。剪力墙墙厚由底部400mm～500mm向上逐渐收缩至250mm～300mm。塔楼中间楼梯间两侧的剪力墙由于为跨层墙，其厚度保持不小于350mm。混凝土等级从C60～C30向上递减。梁主要截面为300×600，300×500，复式下层开洞位置由于刚度需要，该梁加大至400×1000，首层（地下室顶板）塔楼部分采用梁板结构，板厚180mm；2层板厚120mm；其余标准层一般房间板厚h=100mm～160mm，屋面层板厚h=120mm～160mm。嵌固端选择在底板。

4、结构超限情况

该建筑高度为148.56m，超过7度区A级高度120m限制，属B级高度建筑，高度超限。另有楼板不连续（复式上层楼板有效宽度为40%＜50%），超过规范限制。

5、结构计算分析

本工程设计按C级性能目标控制，具体性能目标详见规范。分析结果如下。

5．1弹性计算

安评提供的小震水平地震影响系数最大值为0.134，特征周期为0.55s；经过对比，按规范参数计算的基底剪力略小于按照安评计算值。故采用安评计算。小震下的主要计算结果见表1。

根据计算结果，得到以下结论：仅X方向底部少数楼层剪重比不满足“抗规”第5.2.5条要求，软件已自动对X方向地震力进行调整放大。塔楼刚重比大于2.7，满足高层建筑的稳定性要求。两种软件计算结果相近，说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况。

5．2弹性时程分析

按规范的选波原则选取了三条波进行小震弹性补充计算。计算结果如图3所示。从小震楼层时程曲线图中可知，楼层位移曲线以弯曲性为主，曲线较光滑，X方向位移角受复式上下层层高变化有一定影响，结构侧向刚度整体趋势较为均匀。可以看到，X方向中部位置三条曲线包络值略大于CQC法计算值，Y方向CQC计算值基本大于包络值，因此施工图设计时将根据包络值与反应谱的差距进行全楼地震力放大。

5．3楼板受力分析

该工程由于为上下层复式，下层楼板出现较大开洞。故采用ETABS对塔楼的楼板进行受力分析。选择有代表性的5层楼板，具体分析结果如图4所示。

中震计算结果显示，复式上层的中部位置周边楼板应力较大，弹性中震作用下楼板应力为2.0MPa～3.8MPa。中部的凹进的楼板加厚到150mm。按楼板拉应力3.0MPa计算，单层配筋率不少于0.50%（双层配筋为1500mm2）。施工图设计时，其应力与竖向荷载作用下应力叠加。

5．4罕遇地震下静力推覆分析

采用PKPM软件进行静力弹塑性分析。需求谱地震影响系数最大值取0.72，特征周期取0.50s，弹性状态阻尼比取0.05。按规范大震计算参数，计算结果如表2所示。

可以看到，与需求点对应的加载步下的各层X向层间位移角和Y向层间位移角均小于1/120，满足规范位移角限值的要求。X轴的典型抗侧力构件在与性能点对应的第37加载步连梁出现了比较多塑性铰，但关键竖向构件尚未损坏；Y轴的典型抗侧力构件在与性能点对应的第37加载步塑性铰较少，结构轻微损坏。结构可满足大震性能目标。

6、主要加强措施

加强区剪力墙墙身分布筋配筋率按0.60%，建筑外围局部剪力墙竖向分布筋配筋率提高至1.20%；剪力墙约束边缘构件竖筋最小配筋率为1.2%～1.50%，局部采用埋设型钢来承担拉力。体积配箍率不小于1.8%。针对复式上层不连续楼板，连接部位进行加厚处理。根据ETABS在中震下的应力分析，与竖向荷载作用下的应力叠加，配置双层双向钢筋网。

7、结束语

该超高层建筑位于较高烈度区，在抗震设防设计方面存在一定的难度。基于性能的设计方法，通过仔细计算，从概念入手，并加强构造，能够保证结构的安全合理，也希望能为类似工程提供参考。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].中国建筑工业出版社，2010.

[2]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S].中国建筑工业出版社，2010.