基于復雜高層及超高層的建筑結構設計探討

劉金濤

（雅克設計有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

基于復雜高層及超高層的建筑結構設計探討

劉金濤

（雅克設計有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

隨著我國技術的不斷進步，高層建筑結構越來越復雜。平面不規則、豎向不規則、超高是高層建筑復雜性的顯著體現，因此進行對復雜高層結構設計的過程中，在確保安全性的同時，還用注重結構設計的經濟性。本文首先詳細的分析了復雜及超過層結構設計中的要點，最后以某工程實例說明結構性能設計在復雜高層及超高層建筑結構設計的重要性，為今后工程的設計提高一定的參考依據。

復雜高層；建筑結構；關鍵技術；研究

1　復雜高層與超高層建筑結構設計要點

1.1選擇合理的結構抗側力體系

高層建筑高度的不同，其采用的結構抗側力體系也各不相同，其結構抗側力體系如表1所示。

表1　建筑工程不同高度時結構抗側力體系

在對復雜高層及超高層結構設計時，應確保結構抗側力構件能夠發揮整體作用，當采用多層抗側力體系時，需要對每種抗側力體系對結構的作用進行分析，進而對抗側力構件進行科學合理的布置。復雜高層和超高層建筑結構的抗側力構件盡量相互連接，增強結構的整體性，比如可以采用伸臂桁架將框架柱和核心筒相互組合，圖1所示的廣州東塔及其組合抗側力體系，該建筑在進行結構設計時，就是通過伸臂桁架很好的實現了核心筒和框架柱的相互連接。

圖1　廣州東塔及其組合抗側力體系

此外還可以采用巨型斜撐、環帶桁架框架柱組合成整體，使其形成巨型框架，如圖2所示的深圳平安大廈及其組合抗側力體系，該建筑在進行結構設計時，就是通過巨型斜撐、環帶桁架將框架柱組合成整體。

此外，還可以將縱橫墻體相互組合起來，形成組合混凝土筒體或組合墻，這幾種抗側力體系在復雜高層及超高層建筑結構中得到廣泛的應用。

1.2重視建筑結構概念設計

大量工程實踐經驗告訴我們，復雜高層及超高層建筑，首先應做到結構概念設計上的合理性，從結構設計的理念給予高度的重視，在進行概念設計時可參考以下幾方面的內容：

（1）盡量做到結構平面上和豎直方向的規則性，從結構均勻性上提高復雜高層及超過高層建筑的穩定性；

（2）確保建筑結構具有明確的傳力路徑，尤其是豎向傳力，一定要保障結構傳；力路徑的順暢連續性；

（3）對復雜高層及超高層建筑首先應確保在結構上具有很高的整體性；

（4）建筑結構的整體受力是建筑設計的重要內容，因此需要從工程材料和設計、施工技術上提高受力結構的整體水平，為了充分實現這項要求，就必須協調工程師之間的交流性，只有保證良好的溝通才能實現結構設計的目標。

圖2　深圳平安大廈及其組合抗側力體系

1.3結構的抗震設計

在滿足建筑功能性的基礎上，抗震設計是復雜高層及超高層建筑設計的重點，也是確結構安全性最為關鍵的一環，在地震發生時能夠有效的減低輸入結構中的地質能量，實踐證實，做好抗震設計需要做好以下五個方面：

①在進行復雜高層及超高層建筑結構地震作用下構件的承載力驗算的同時還需要應對結構的層間位移限值進行有效的控制；②在對具體復雜高層及超高層建筑工程項目設計時，我們可以采用基于位移的結構抗震方法，對基于力的結構設計方案進行定量分析，確保結構在罕遇地震作用下的塑性變形能夠滿足預期要求；③對復雜高層及超高層建筑構件的變形和結構的整體位移之間的精確關系進行綜合的分析，確定構件的有效變形值；④加強復雜高層及超高層建筑結構構件的構造設計，并對一些重要構件進行有針對性的設計；⑤選擇堅固的場地，做好工程的施工，有效的減少地震輸入結構中的能量。

1.4抗風設計

在復雜高層及超高層建筑結構中，結構的第一自振周期和工程所在地的卓越周期相差很大，對于抗震設防烈度相對比較低的，比如Ⅵ度設防、Ⅶ度設防，此時風載荷對結構的影響要遠遠超過地震對結構的影響程度，尤其是對于一些比較柔的復雜高層及超高層建筑，風載荷在結構設計中起到控制作用。因此，對于這類建筑結構設計工程師有必要對風載荷進行專業的研究。一般情況下，我國《建筑結構荷載規范》（GB5009-2012）中風載荷的計算公式為Wk=βzμsμzW0，其中μz為風壓高度的變化系數。對于A類地面：μz=0.794Z0.24；B類地面：μz=0.479Z0.52；C類地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑結構荷載規范》（GB5009-2012）當中，對200m以上的復雜高層和超高層建筑做了特殊的規范，在確定復雜高層及超高層建筑確定非圓形截面的橫風向風振等效風荷載時，必須進行風洞試驗。通過風洞試驗對建筑外形的空氣動力進行優化，同時確定主體結構和圍護結構的風載荷標準值，進行對結構整體設計進行優化。

1.5控制關鍵設計指標的合理性

對于復雜高層及超過程建筑工程在進行結構設計過程中確保各項關鍵設計指標的合理性，包括：結構的單位面積質量、周期比、剪重比、位移比、層間位移角、剛度比與抗剪承載力比、整體穩定性、核心筒和框架部分剪力與彎矩的分配情況等。

2　復雜高層及超高層基于性能的抗震設計

2.1確定性能目標

復雜高層及超高層結構抗震設計的性能目標是指某一設定地震地面運動下結構所要達到的預期性能水準，國家標準《建筑抗震設計規范》（GB5001-2010）對結構地震破壞等級進行了劃分，表2為我國建筑結構抗震設計中四種性能控制目標。

表2　建筑結構抗震設計的控制目標

根據抗震安全性評價的能量原則，在進行結構設計時如果結構構件的抗震承載力高，就可以適當的降低結構塑性變形能力的延性要求；反之，如果結構構件的抗震承載力比較低，則應相應的提高結構的延性變形能力。當結構達到性能目標1時，在預期的罕遇地震作用下結構整體上基本上處于彈性狀態，則對于細部構造只需要滿足最基本的構造要求即可；當結構達到性能目標2時，在設防烈度地震作用下結構構件基本上完好，在預期罕遇地震作用下部分結構構件可能發生屈服，對于細部構造則需要滿足延性的最低要求；當結構達到性能目標3時，在設防烈度地震作用下結構構件已有輕微的塑性變形，在罕遇地震作用下結構整體上有明顯的塑性變形，對于細部構造則應滿足延性構造的中等要求，當結構達到性能目標4時，在設防烈度地震作用下結構構件的損壞已大于性能目標3，結構的總體抗震承載力僅略高于一般情況，對于細部構造則需要滿足延性的最高要求。

2.2合理選用結構的性能目標

對于復雜高層及超高層建筑，其結構的高度或規則性都超出了現行的規范、規程的適用限值，從而在進行這類結構的抗震設計時缺少可靠的規定和依據。基于性能的設計方法是當前我國復雜高層及超高層建筑結構的輔助設計，需要綜合考慮結構的超高超限情況、不規則程度、工程所在地的設防烈度和經濟因素，對結構的關鍵部位、薄弱部位或主要的抗側力構件，在滿足提高結構的抗震承載力或結構的變形能力或同時提高結構的抗震承載力和變形能力的要求的情況下，合理確定結構的性能目標。

2.3工程實例分析

某復雜工程其抗震設防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅲ類，結構形式為大底盤雙塔結構，北塔樓地上58層，總高度為246m，為框架-核心筒結構體系，框架柱采用型鋼混凝土柱，沿豎向利用建筑避難層設置三道環向鋼筋混凝土桁架。裙房大底盤在水平方向極不規則，錯層、樓板開洞、越層柱等，如圖3所示；北塔樓高度超B級，由于環向桁架的設置使得相鄰樓層受剪承載力比不能滿足規范要求。

本工程的抗震性能目標和主要的抗震措施：增強大底盤結構的整體抗震性能，對大底盤和大底盤屋面以上2～3層的豎向抗側力構件都按中震彈性的性能要求進行設計，大底盤結構的抗震措施按照不低于北塔樓抗震措施要求進行設計；三道環向桁架所在樓層及上下相鄰樓層按中震彈性進行抗震承載力驗算；對底層抗震墻肢的平均剪應力進行控制，使其不大于0.15fck，本工程滿足罕遇地震作用下結構構件截面的抗剪控制條件。

本工程進行小震作用下的彈性驗算后，采用靜力彈塑性推覆法對結構進一步的分析，推覆結果表明本工程在6度中震時整體結構基本上處于彈性狀態，主要的抗側力構件如抗震墻、框架柱和梁都沒有發生屈服，核心筒處的部分連梁出現了少量的塑性鉸，且塑性鉸剛剛達到屈服。本工程在6度罕遇地震作用下整體結構塑性鉸的分布情況如圖4所示，由圖4可知連梁達到一定的屈服程度，核心筒底部和環向桁架所在樓層個別墻肢也相繼出現了塑性鉸；另外和核心筒相連的部分框架梁梁端也出現了塑性鉸，且大部分梁端塑性鉸分布在避難層。但本工程整體上滿足結構在罕遇地震作用小的承載能力和變形能力。

圖3　工程效果圖

圖4　工程罕遇地震作用下塑性鉸分布

3　結束語

隨著我國建筑業的飛速發展，建筑結構的形式越來越復雜，高度越來越高，在進行復雜工程及超高層建筑結構設計的過程中，保證其科學合理性是非常必要的，本文主要對復雜高層及超高層建筑結構中的設計要點進行了簡單的分析，并以實際工程為例對復雜高層及超高層建筑結構的性能設計進行了探討，對今后類似這樣的工程設計具有一定的參考價值。

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TU973

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1673-0038（2015）36-0039-03

2015-8-19