高層建筑結構設計探析

楊清霞

【摘要】本文通過某不規則建筑工程主體結構的設計，詳細介紹了該工程的結構設計難點和處理辦法，同時介紹了如何運用性能化設計方法對不同結構部位和構件進行加強。對此類的建筑具有一定的指導作用，以便于以后的施工需要，供大家參考。

【關鍵詞】高層建筑結構；鋼框架；抗震設計；

1、工程概況及結構設計難點

某建筑工程主樓地上32層，標準層層高4.50m，主屋面高度為148.80m，結構最大高度為180m。附樓4層，中間間隔規劃道路，地下設置滿堂地下室3層，總建筑面積約14萬m2。建筑主體造型通過對橢球體進行的平面和豎向拉伸，再用三個曲面分別切割南側、北側及東側。各層建筑平面均在變化，下部樓層是逐漸外伸由小變大，層l5達最大平面尺寸，上部樓層是逐漸由大變小，至180m高度匯交于一點。芯筒區GKZ截面一般均為600mm×600mm鋼箱柱，壁厚由34mm逐漸變化到20mm；外框鋼管混凝土柱直徑1100ram（壁厚30ram），最大直徑為1250ram（壁厚50ram）；角部弧形桁架柱為最大截面600mm×1000mm鋼箱柱，壁厚由75mm逐漸變化到20mm。

工程建筑對結構設計的主要影響有：（1）結構的中心部分在南北方向有效寬度較小，中部最小尺寸約為6m，為主屋面高度的1/25，導致中心部位抗側力構件的剛度嚴重不足，在兩主軸方向剛度不協調。（2）樓板開洞的位置較多。底部4層通高的主人口導致底部3層樓板缺失；在中上部層2O和22的1b和1c軸左側的樓板全部取消，形成兩個高9m的無柱空間，X向最大跨度達24m；底部4.5m標高處，除芯筒部分外，樓板全部取消，形成高度9m的人口大堂。樓板開洞導致此部分樓層質量中心突變，剛度中心偏離較多，同時西側弧形桁架和中心部分聯系較弱。（3）角部斜立的豎向構件外傾和內收的尺寸較大，且向兩側伸展，呈現雙向的彎曲造型；構件的空間定位、受力機理較復雜；樓層平面的梁和板存在較大的軸力去平衡傾斜桁架柱內豎向荷載作用導致的水平分量。（5）復雜的空間體形和內部功能空間的變化，給結構設計帶來較大難度。如何有效地組織結構的豎向構件，同時形成高效的抗側力系統，是本工程結構設計面臨的最大挑戰。

2、結構選型

根據規定將本工程主塔樓抗震設防類別確定為重點設防（乙）類建筑。根擬建場地的抗震設防烈度為8度（0.2Og），設計地震分組為第一組。由于建筑平面的原因，本工程如采用鋼筋混凝土核心筒的抗側力方案，較難滿足規范要求的層間側移指標和結構性能化目標的要求，經過方案比選，最終選定的是鋼框架一中心支撐的結構方案。

根據抗規第8.1.3條的規定，鋼結構房屋的抗震等級為一級。第8.1.5條規定：“抗震等級為一、二級的鋼結構房屋，宜設置偏心支撐、帶豎縫鋼筋混凝土抗震墻板、內藏鋼支撐混凝土墻板、屈曲約束支撐等消能支撐或筒體”。本工程由于斜立的角部鋼桁架柱參與抵抗雙向水平地震作用，且芯筒區也非規則的正交軸網，給設置偏心支撐帶來較大的難度；而中心支撐在受壓下可能發生屈曲，延性稍差，無法滿足本工程的抗震性能要求。綜合以上原因，本工程在芯筒部分全面采用屈曲約束支撐（BRBs），通過屈曲約束支撐良好的耗能能力，有效地提高結構的抗震能力；同時支撐體系易于進行結構剛度的調整，從而減小剛度中心和質量中心的偏心。為節省工程造價，所有直立的外框鋼柱均采用鋼管混凝土柱。

3、屈曲約束支撐的布置

屈曲約束支撐是為框架或排架結構提供很大的抗側剛度和承載力，采用支撐的結構體系在建筑結構中應用十分廣泛。支撐布置應均勻且相對集中，均勻是為使每榀支撐桁架分擔恰當的水平荷載，相對集中是為提高支撐桁架的有效高度，提高材料的使用效率。同時支撐布置必須滿足門洞布置等建筑功能的需求。在地震荷載作用下，由下至上各樓層的層間剪力均勻地逐漸減小，相應的支撐剛度（截面）也逐漸減小。高層建筑中框架支撐體系的受力特征和框架一剪力墻結構體系的受力特征一致，在水平荷載作用下，在中下部樓層，支撐（剪力墻）承擔主要的樓層剪力，在中上部樓層，框架承擔主要的樓層剪力。這也使高層建筑中上部樓層支撐的布置，特別是屈曲約束支撐的布置具有很大的優化空間。

4、弧形組合桁架布置及受力特點

在本建筑結構平面的西側，由于造型和平面功能的原因，必須由西側弧形并呈雙向伸展的組合構件去承擔較大跨度的豎向荷載，其東西方向在層15較底層外凸達14m，上部內收達22m；南北方向中間最大寬度較底層外凸1lm。由于結構平面中心部位的抗側剛度不足，此弧形組合桁架同時是協助抵抗水平地震作用的關鍵構件。

4.1形態與布置。上述3個角部的弧形構件，均呈現雙向的曲線變化，下小上大同時外凸。在進行結構布置時，為便于加工制作和施工過程控制，在底層位置處，在西側沿⑤ 一④軸用鉛垂面剖切西側曲面體，生成6榀直立的弧形桁架；外凸部分再增設斜柱，同時在弧線方向再增設腹桿，形成一相對復雜的空間巨型桁架。東南和東北側的弧形體相對外傾和延伸較小，且東側芯筒部分抗側剛度較大，僅設置弧形柱相連的框架，未設置腹桿。這些弧形體內部有較多的風道貫通上下，因此在每個樓層處的桁架位置平面內均設置水平支撐予以加強。

4.2受力特征分析。在豎向荷載作用下，和桁架相連的框架梁內均有一定的軸力，在層4框架梁中最大，此部分框架梁由于截面高度均較大，為保證腹板的穩定，其構造厚度一般均較厚，經特別加強及復核，橫向構件均能承擔此部分軸力。在豎向荷載作用下，弧形桁架的外側弦桿（柱）由于更靠近荷載中心和斜腹桿的不斷卸載作用而遠大于內側弦桿（柱）；而在水平地震荷載作用下，為抵抗傾覆力矩，弧形桁架的整體性表露無疑，傾覆力矩使遠端的弦桿（柱）軸力最大，在X向地震作用下是中間最左側和南北最右側4根柱，在Y向地震作用下是南北最外側4根柱。

4.3水平力的傳遞。西側桁架承擔了較大部分無柱空間的豎向荷載，同時還承擔了一定的水平荷載作用。在豎向荷載作用下，由于平面內收上部樓層在樓板內產生壓力，下部樓層在樓板內產生拉力，樓板內最大拉應力出現在主人口門廳的上1層層4。在水平荷載作用下，樓板需協調部分樓層剪力至西側的弧形桁架。可見在西側桁架的角部有應力集中現象，其最大應力值為4.2～4.9MPa。

5、環桁架的設置

環桁架一般是超高層帶伸臂結構中為協調外框柱的豎向變形而設置的。為加強西側弧形桁架和主體部分的共同工作，在層4，16（避難層）和層29分別增設了3道環桁架。增設環桁架導致結構的整體抗側剛度相應增大，相應導致了地震力的增大，兩者相抵，有無設置環桁架對結構的層間變形分析結果影響較小；但環桁架導致了結構豎向抗側剛度的突變，結構層間位移角也呈現了相應的突變。傳統帶伸臂高層建筑中的環桁架，協同外框柱中的軸力，使和伸臂相連的外框柱也能提供部分的抗傾覆能力。本工程的環桁架相當于沿結構平面環向加“箍”，主要目的是加強西側的桁架組合柱和中部及周邊框架的整體性，為避免對建筑功能造成過大影響，僅設置了3道環桁架。由于環桁架相對芯筒部分的抗側剛度大較多，水平剪力在環桁架上下樓層的重新協調分布較嚴重，因此對環桁架上下樓層的樓板采取了適當加厚和配筋予以加強的措施。

6、結語

本工程是一個體形和平面等均較復雜的超高層建筑，且存在多項不規則。通過對復雜弧形組合桁架承重和抗側的受力分析及構造加強，確保了其和整體結構的協調一致；通過性能化軟件進行的評估分析，也驗證了結構性能化目標的合理陛，有效保證了結構安全。