超限高層建筑結構設計分析

賈文沛 謝龍龍

湖南省建筑科學研究院 湖南 長沙 410000

引言

建筑層數超過十層的就算做高層建筑，其中超限高層建筑包括在內。事實上超限高層建筑的高度和層數并沒有統一的規定，而是根據建筑結構類型來確定。只要建筑物算作超限高層，就表明對建筑物的結構形式和施工質量提出更高的要求[1]。結構設計方面一定要選擇合適的體系選型，確保結構設計的可行性、科學性和安全性。

1 超限高層建筑結構體系分析

1.1 框架結構

采用框架結構的超限高層建筑具有平面布置靈活輕便、受力體系簡單、施工過程快捷等多方面的優勢。采用框架結構的建筑物兩柱之間的距離控制在7m左右，如果使用預應力混凝土結構則需要控制兩柱距離為15m以上。結構設計要滿足抗震要求和風荷載，此外還需要注意非結構構件填充墻，在框架結構產生較大變形時很容易導致損壞。

1.2 剪力墻結構

剪力墻結構承載力良好，在抗震強度和風荷載兩方面具有相對優勢。但是其缺點是自重較大、同時延展性不足，不能很好解決水平荷載問題。同時剪力墻結構的相鄰墻體間距需控制在5m左右，大大減小了建筑的使用空間。

1.3 框架-剪力墻結構、框架-核心筒體系結構

框架-剪力墻結構綜合了上述兩種結構的優勢，既具有比較好的延展性，可以靈活進行設計和布置；同時還繼承了剪力墻具有的高抗側剛度。該結構利用了樓層梁板進行框架和剪力墻的相互連接，能夠同時受力，所以結構整體的側移幅度不大。

框架-核心筒體系結構和框架-剪力墻結構比較類似，受力特征二者也幾乎相同。核心筒主要是利用電梯井、樓梯間、運輸管道的那個構成一個混凝土的筒柱。其中的框架部分主要是以核心筒為中心，逐漸向外部延伸。這種結構使用空間更多，構造靈活，適用于商務建筑如寫字樓等。同時因筒體封閉使其具有很強的抗彎、抗扭剛度，超限高層建筑采用這種結構抗風、抗震性能穩定。

2 超限高層建筑結構設計關鍵點

2.1 水平荷載

在對具體建筑進行結構設計的同時要注意計算其水平荷載和垂直荷載。豎構件注意水平荷載形成的軸力和建筑高度的兩次方成正比。同時建筑高度確定之后，豎荷載就保持不變，但是水平荷載會隨著結構變化而產生變化，施工人員必須注意。

2.2 結構延性

上文提及，超限高層的垂直高度很大，在結構上和其他諸多建筑相比具有更好的柔性。這要求建筑整體的變形能力要很好，不能具備過強的剛度。比如在發生地震時，建筑物開始劇烈搖晃，進入塑性變形階段，科學合理的設計能夠使得超限高層建筑不傾覆，最大程度保障建筑內人員的安全。

3 超限高層建筑結構設計注意事項

3.1 地基和基礎部分

很多超限高層的建設只根據設計圖紙或基礎資料就盲目動工，忽視了實地考察的重要性，缺少了實際、科學的報告，這樣無法確保地基和建筑基礎的質量。所以在進行建筑結構設計之前應當預先實地考察，結合實地的地質情況，綜合考慮各方面因素后在開展結構設計。

3.2 現澆鋼筋混凝土樓板產生裂縫

一方面，無論采用哪種結構形式，對于現澆鋼筋混凝土樓板的受力分析都不夠完備，通常局限于樓板平面上的應力變化，缺少了對于板端嵌固端節點等部位的考慮；另一方面，在實際的樓板鋼筋配置過程中，工作人員實際經驗不足，導致受力分析和實際情況有較大出入，造成混凝土樓板的抗拉能力不足，所以會產生裂縫問題。

3.3 轉換結構設計

很多超限高層建筑選擇梁式轉換，上部框架正好處于轉換梁的上部，因為截面很小，所以梁柱發生微小位移都會對整體轉換結構造成很大影響，所以施工時要注意對轉換梁撓度的控制。此外還需要增強轉換框架的抗震承載力，據有關抗震專家分析，轉換梁截面設置勁性鋼骨能夠有效增強抗震能力到特一級，如圖1所示：

4 實例工程分析

本文將要分析的案例為上海市世博園區某超限高層的建筑結構。首先分析建筑主體結構的選型方案，之后介紹一些針對該超限建筑的一些不規則面的設計和計算分析，讓整棟建筑的設計方案科學、合理、可行。

4.1 項目概況

本建筑選址世博園區，主要功能為寫字辦公樓，主樓合計29層，裙樓4層，結構高度合計150m，地上建筑面積合計8萬m2。該建筑物的抗震等級按照7級標準設計建設，基本風壓為0.55kN/m2。結合建設地點的地質條件，采用鉆孔灌注樁進行建設[2]。

4.2 結構選型

本工程選用框架-核心筒結構體系，因為本工程對應的是100到200m級別的超限建筑，結合建筑中常用的集中交通核模式，同時充分考慮整體結構的抗側剛度和建設單位的成本控制要求，最終選定結構選型。其中核心筒作為抗側力的首要工具，承擔起了建筑中絕大部分的水平荷載；框架部分同時具有一定的抗側力作用，不過主要用于承擔超限建筑中的豎向荷載。經過電腦模擬軟件設計和分析顯示，采用框架-核心筒結構的本建筑在滿足使用和成本控制的前提下，具有良好的結構穩定性。本工程中典型樓層平面圖如圖2所示：

圖2 本工程中典型樓層平面設計圖

4.3 部分超限控制措施淺析

本建筑經判定屬于超限建筑，在設計中采用多種軟件進行結構指標的控制，超限計算控制措施主要有以下五大方面構成：

計算模型說明：地震作用按照兩個主軸方向輸入，同時需要考慮到5%的偶然偏心地震的可能性，同時測算在該類型地震發生時的扭轉影響，分析采用振型分解反應譜法和彈性時程法進行。

小震彈性反應譜分析：在地震規模較小時結構處于彈性狀態，部件承載力都處于設計范圍內。主計算程序為盈建科YJK1.8，用于結構的主要指標控制和構件的配筋計算；同時采用副計算程序MIDAS Building對主程序的計算結構進行審核和復查工作。

小震彈性時程分析：為了讓超限建筑保持良好的抗震能力，本工程采用彈性時程分析進行地震模擬計算。根據場地類型選用不同相應的地震波，對結構進行地震下的彈性時程分析。設計時地震作用取7條時程曲線的計算平均值和振型分解反應譜法計算結構的最大值。

性能設計相關計算：依據相應的性能目標，本工程進行了中震彈性、大震不屈服等彈性計算，確保建筑中的有關構建能夠滿足設計要求。

彈塑性靜力分析：本工程同時進行了罕見大地震作用下的薄弱層塑性變形測量，采用動力彈塑性時程分析法演算塔樓在遭遇罕見地震情況下的結構受力變形情況。

5 結束語

總而言之，目前隨著我國城市用地地日趨緊張，越來越多的開發商把樓設計得更高，以緩解用地不足的問題。這導致很多超限建筑的產生，作為建筑結構設計人員，一定要注意對于超限建筑的結構設計，認真比較本文提到的四種結構選型，重視在結構設計中的關鍵點和注意事項，爭取讓超限建筑的結構設計完善，間接保障整體建筑的質量和安全性。