淺析超限建筑結構設計的問題分析

2015-04-29 00:00:00呂凌艷

基層建設 2015年7期

摘要：隨著建筑物的高度不斷增高，使用功能的不斷復雜化要求的不斷標新立異，超高建筑的布置、形態和性能日趨復雜，文章結合實例，對超限高層建筑結構設計的問題進行探討。

關鍵詞：超限結構；高層；建筑；計算

1.工程概況

某超高層住宅，建筑總面積228118m2，其中，地上總建筑面積163000m2，地上總架空建筑面積4735m2，地下總建筑面積60383m2，該項目由9棟48層近150m的超高層住宅組合而成。該建筑層數為：地下二層（層高3.9m），地面以上40 層，建筑總高度為121.2m。一層局部架空層高為6.0m，以上各標準層層高均為3.0m。本工程屬于B級高度的超限高層建筑。

2.設計依據

2.1 設計荷載

本工程結構荷載取值均采用《建筑結構荷載設計規范》（GB50009-2001）（2006 年版）。主要用房的活荷載標準值取值如下（單位：kN/m2）：①客廳、臥室：2.0；②陽臺，露臺：2.5；上人屋面：2.0；不上人屋面：0.5；③消防樓梯：3.5。

2.2 風荷載

本工程基本風壓按照100 年重現期取值，為0.95kN/m2，地面粗糙度為A 類，考慮到此項目為群集的高層建筑且間距較近易產生風力相互干擾的群體效應，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》3.2.7 條，現加大風荷載取值，體型系數取值為1.5。

2.3 地震作用

本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。水平地震影響系數最大值采用0.12（多遇地震）。用反映普法計算地震作用時，采用《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）（2008 版）第5.1.5條規定的地震影響系數曲線，結構阻尼比取值0.05，設計同時考慮偶然偏心及雙向地震對主體結構的影響作用。

彈性時程分析所取的地面運動最大加速度為：55.000（cm/s2）。

本工程根據《建筑抗震設防分類標準》（GB50223—2008）及《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001），抗震設防類別為標準設防類（簡稱丙類），建筑結構安全等級為二級，抗震等級：地下室頂板以上的框架及剪力墻均為一級；地下負一層框架與剪力墻均為一級，地下負二層框架與剪力墻為三級。結構計算時，因地下負一層結構的側向剛度大于地上一層側向剛度2 倍以上，能滿足《建筑抗震設計規范》中6.1.14條的設計要求，故將地下室頂板按嵌固部位考慮。

3.結構體系布置及超限情況說明

根據本工程的建筑功能、平面布局、建筑立面造型以及建筑高度的情況，并依據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2006]220 號）及《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2002）的超限審查，該結構需要主要解決以下幾個問題：①建筑總高度為121.2m，屬于《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2002）中規定的B 級高度的高層建筑，抗側力體系必須具有較高的剛度用以抵抗水平風荷載及其地震作用；②平面布置不規則，夾層樓板開洞率約為50%，超過規范要求的30% 的限值，局部樓板不連續；③建筑立面變化較大，主體結構必須具有較強的抗扭轉能力；④對豎向構件的界面尺寸要進行限制，以提高建筑面積使用率。

結合以上需要解決的問題及建筑平面功能的特點，并結合審查專家組的意見，結構布置時，采用剪力墻結構體系。剪力墻厚度1～7 層為400mm，8～17 層為350mm，18～29層為300mm，以上均為250mm。且增加平面四邊轉角墻肢厚度，即29層～主屋面墻肢厚度均為300mm，增強了結構抗扭轉性能。剪力墻混凝土等級底部加強區為C50，以上依次取C45～C35。樓、屋蓋采用現澆混凝土梁、板體系，梁、板混凝土標號自下而上依次取C35～C30.由于存在夾層樓板開洞，現將夾層的樓板厚度均加厚至120mm，同時提高該處梁、板配筋率，將夾層樓板板配筋雙層雙向拉通處理，并適當增設局部樓板以增強開洞薄弱處的連接。豎向構件采用高標號混凝土，大大減小截面尺寸，提高建筑面積的使用率。結構整體計算時，除將夾層作為結構層進行設計外，并同時復核兩層合并為一層的層高的模型進行分析計算，取最不利的組合進行設計。

4.結構計算結果的分析比較

4.1 結構計算模型及程序鑒于本工程結構設計的復雜程度，進行結構整體分析時采用兩種不同的軟件：

（1）建筑結構三維分析軟件ETABS V9.2.0（中文版），計算中各構件的計算單元分別為：a.線單元：梁、柱；b.膜單元：水平樓板；c.殼單元：剪力墻。

（2）基于廣義協調墻元模型的高層建筑結構空間有限元分析軟件PKPM（2008 版）-PMSAP，各構件計算單元分別為：a.桿元：梁、柱；b.膜單元：水平樓板；c.墻元：剪力墻。

4.2 反應譜法計算的主要結果分析

（1）計算得到的前6 階段模態的振動周期結果列于表1。兩個程序計算得到的第一、第二周期T1、T2 分別為X、Y 方向的平動周期，第三周期T3 為扭轉第一周期，T3/T1均遠小于《高層建筑混凝土結構技術規程》B 級高度的限值0.85，表明該結構具有良好的抗扭能力，符合抗震概念設計的要求。振型曲線符合正常規律。從圖1 可見，扭轉周期比滿足設計要求，有效質量系數滿足設計要求。

圖1 結構動力特性圖2 結構響應計算結果

（2）計算得到的結構最大影響位移結果列于圖2，從圖2可見，層間位移角限值均小于1/1000 以及位移比均小于1.4，均滿足規范要求，地震作用下的剪重比滿足要求。

（3）結構樓層抗側剛度比及層抗剪承載力比均滿足規范要求。

4.3 彈性時程分析主要計算結果與分析

時程分析采用“中國建筑科學研究院工程抗震研究所”提供的三條場地實測地震波，其中兩條天然波，一條人工波。《建筑抗震設計規范》中對時程分析具體要求如下：每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%。主要計算結果見圖3，最后X 向、Y 向結果均滿足規范要求。

圖3 時程分析計算結果

4.4 抗震構造措施

（1）合理選擇剪力墻截面，控制樓層的層間剛度比。提高剪力墻底部加強區的延性，底部加強區墻身配筋率取值不小于1.5%。

（2）減少扭轉效應，調整抗側力構件布置使之均勻對稱。同時加強外圍剪力墻墻肢厚度以減少結構的扭轉效應，控制結構扭轉比小于1.4。

（3）加強薄弱部位的樓板剛度，適當提高該處梁、板截面厚度及增加配筋率，并嚴格控制梁、板的裂縫，尤其加強洞口周邊樓板厚度及配筋率。

（4）盡可能減少由于開洞形成的小墻肢現象，合理配筋并控制軸壓比。

4.5 墻身穩定性驗算

設計時復核兩層并一層后層高為6 米的模型的剪力墻穩定性，滿足規范要求。

4.6 夾層復核計算

結構整體計算時除將隔層作為結構層進行設計外，并同時復核兩層合并為一層的層高的模型進行分析計算，并取最不利的組合進行設計，使計算結果偏安全設計。

5.結語

綜上所述，超限高層住宅建筑通過采用剪力墻結構的布置形式，合理地控制剛度的分配及結構的扭轉效應，并加強結構關鍵部位及其薄弱環節的概念設計，同時結合多種專業軟件進行復核與分析比對，是可以使結構達到較好的抗震安全性能和經濟效益的。