浅析超限建筑结构设计的问题分析

浅析超限建筑结构设计的问题分析

吕凌艳

吕凌艳

广州信达置业投资有限公司广东，广州510000

摘要：随着建筑物的高度不断增高，使用功能的不断复杂化要求的不断标新立异，超高建筑的布置、形态和性能日趋复杂，文章结合实例，对超限高层建筑结构设计的问题进行探讨。

关键词：超限结构；高层；建筑；计算

1.工程概况

某超高层住宅，建筑总面积228118m2，其中，地上总建筑面积163000m2，地上总架空建筑面积4735m2，地下总建筑面积60383m2，该项目由9栋48层近150m的超高层住宅组合而成。该建筑层数为：地下二层（层高3.9m），地面以上40层，建筑总高度为121.2m。一层局部架空层高为6.0m，以上各标准层层高均为3.0m。本工程属于B级高度的超限高层建筑。

2.设计依据

2.1设计荷载

本工程结构荷载取值均采用《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2001）（2006年版）。主要用房的活荷载标准值取值如下（单位：kN/m2）：①客厅、卧室：2.0；②阳台，露台：2.5；上人屋面：2.0；不上人屋面：0.5；③消防楼梯：3.5。

2.2风荷载

本工程基本风压按照100年重现期取值，为0.95kN/m2，地面粗糙度为A类，考虑到此项目为群集的高层建筑且间距较近易产生风力相互干扰的群体效应，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》3.2.7条，现加大风荷载取值，体型系数取值为1.5。

2.3地震作用

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s。水平地震影响系数最大值采用0.12（多遇地震）。用反映普法计算地震作用时，采用《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）（2008版）第5.1.5条规定的地震影响系数曲线，结构阻尼比取值0.05，设计同时考虑偶然偏心及双向地震对主体结构的影响作用。

弹性时程分析所取的地面运动最大加速度为：55.000（cm/s2）。

本工程根据《建筑抗震设防分类标准》（GB50223—2008）及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），抗震设防类别为标准设防类（简称丙类），建筑结构安全等级为二级，抗震等级：地下室顶板以上的框架及剪力墙均为一级；地下负一层框架与剪力墙均为一级，地下负二层框架与剪力墙为三级。结构计算时，因地下负一层结构的侧向刚度大于地上一层侧向刚度2倍以上，能满足《建筑抗震设计规范》中6.1.14条的设计要求，故将地下室顶板按嵌固部位考虑。

3.结构体系布置及超限情况说明

根据本工程的建筑功能、平面布局、建筑立面造型以及建筑高度的情况，并依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质［2006］220号）及《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）的超限审查，该结构需要主要解决以下几个问题：①建筑总高度为121.2m，属于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）中规定的B级高度的高层建筑，抗侧力体系必须具有较高的刚度用以抵抗水平风荷载及其地震作用；②平面布置不规则，夹层楼板开洞率约为50%，超过规范要求的30%的限值，局部楼板不连续；③建筑立面变化较大，主体结构必须具有较强的抗扭转能力；④对竖向构件的界面尺寸要进行限制，以提高建筑面积使用率。

结合以上需要解决的问题及建筑平面功能的特点，并结合审查专家组的意见，结构布置时，采用剪力墙结构体系。剪力墙厚度1～7层为400mm，8～17层为350mm，18～29层为300mm，以上均为250mm。且增加平面四边转角墙肢厚度，即29层～主屋面墙肢厚度均为300mm，增强了结构抗扭转性能。剪力墙混凝土等级底部加强区为C50，以上依次取C45～C35。楼、屋盖采用现浇混凝土梁、板体系，梁、板混凝土标号自下而上依次取C35～C30.由于存在夹层楼板开洞，现将夹层的楼板厚度均加厚至120mm，同时提高该处梁、板配筋率，将夹层楼板板配筋双层双向拉通处理，并适当增设局部楼板以增强开洞薄弱处的连接。竖向构件采用高标号混凝土，大大减小截面尺寸，提高建筑面积的使用率。结构整体计算时，除将夹层作为结构层进行设计外，并同时复核两层合并为一层的层高的模型进行分析计算，取最不利的组合进行设计。

4.结构计算结果的分析比较

4.1结构计算模型及程序鉴于本工程结构设计的复杂程度，进行结构整体分析时采用两种不同的软件：

（1）建筑结构三维分析软件ETABSV9.2.0（中文版），计算中各构件的计算单元分别为：a．线单元：梁、柱；b．膜单元：水平楼板；c．壳单元：剪力墙。

（2）基于广义协调墙元模型的高层建筑结构空间有限元分析软件PKPM（2008版）-PMSAP，各构件计算单元分别为：a．杆元：梁、柱；b．膜单元：水平楼板；c．墙元：剪力墙。

4.2反应谱法计算的主要结果分析

（1）计算得到的前6阶段模态的振动周期结果列于表1。两个程序计算得到的第一、第二周期T1、T2分别为X、Y方向的平动周期，第三周期T3为扭转第一周期，T3/T1均远小于《高层建筑混凝土结构技术规程》B级高度的限值0.85，表明该结构具有良好的抗扭能力，符合抗震概念设计的要求。振型曲线符合正常规律。从图1可见，扭转周期比满足设计要求，有效质量系数满足设计要求。

（2）计算得到的结构最大影响位移结果列于图2，从图2可见，层间位移角限值均小于1/1000以及位移比均小于1.4，均满足规范要求，地震作用下的剪重比满足要求。

（3）结构楼层抗侧刚度比及层抗剪承载力比均满足规范要求。

4.3弹性时程分析主要计算结果与分析

时程分析采用“中国建筑科学研究院工程抗震研究所”提供的三条场地实测地震波，其中两条天然波，一条人工波。《建筑抗震设计规范》中对时程分析具体要求如下：每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。主要计算结果见图3，最后X向、Y向结果均满足规范要求。

4.4抗震构造措施

（1）合理选择剪力墙截面，控制楼层的层间刚度比。提高剪力墙底部加强区的延性，底部加强区墙身配筋率取值不小于1.5%。

（2）减少扭转效应，调整抗侧力构件布置使之均匀对称。同时加强外围剪力墙墙肢厚度以减少结构的扭转效应，控制结构扭转比小于1.4。

（3）加强薄弱部位的楼板刚度，适当提高该处梁、板截面厚度及增加配筋率，并严格控制梁、板的裂缝，尤其加强洞口周边楼板厚度及配筋率。

（4）尽可能减少由于开洞形成的小墙肢现象，合理配筋并控制轴压比。

4.5墙身稳定性验算

设计时复核两层并一层后层高为6米的模型的剪力墙稳定性，满足规范要求。

4.6夹层复核计算

结构整体计算时除将隔层作为结构层进行设计外，并同时复核两层合并为一层的层高的模型进行分析计算，并取最不利的组合进行设计，使计算结果偏安全设计。

5.结语

综上所述，超限高层住宅建筑通过采用剪力墙结构的布置形式，合理地控制刚度的分配及结构的扭转效应，并加强结构关键部位及其薄弱环节的概念设计，同时结合多种专业软件进行复核与分析比对，是可以使结构达到较好的抗震安全性能和经济效益的。

参考文献

[1]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2006]220号）.

[2]GB50011-2001（2008年版），《建筑抗震设计规范》.

[3]JGJ3-2002，《高层建筑混凝土结构技术规程》.

[4]方鄂华.《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》，机械工业出版社.