退臺式收進體型超高層建筑結構設計

王 偉

（山西四建集團有限公司，山西 太原 030024）

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加深及城市土地資源的日益緊缺，城市中出現了越來越多的超高層建筑，而其中有很多都屬于退臺式收進體型超高層建筑，故而對這類建筑結構設計的研究成為了業內重點課題。目前我國在退臺式收進體型超高層建筑結構設計方面已經擁有了一些研究成果和實踐經驗，這給其實際設計工作帶來了不小的助益。

1 相關概念簡介

1.1 超高層建筑

超高層建筑顧名思義是指在一般高層建筑的基礎上發展形成的一種高度更高、層數更多的建筑。目前在我國對超高層建筑的標準中，是將樓層數＞40 層或建筑高度＞100m 的建筑物納入超高層建筑的范疇。

1.2 退臺式建筑

退臺式建筑又稱臺階式建筑，因為這類建筑的外形類似于臺階。退臺式建筑最主要的特點是建筑面積由底層向上層逐層減小，在下層多出的面積遠超過一般凸出或凹進的陽臺面積，并形成上層的一個大平臺。退臺式建筑具有屋外活動空間大、采光和通風良好等優點，但也有占地較大、建筑容積率減少的缺陷。

1.3 收進體型結構

收進體型結構是不規則高層建筑結構的一種常見類型，其主要具有抗震性能良好、結構穩定性強等優點。但由于收進體型結構容易引起構件內力、位移不規則變化等問題，所以在實際應用中應把握好其與側向剛度不規則之間的關系，進行合理的結構設計。

2 退臺式收進體型超高層建筑結構設計中的常見結構收進方式

2.1 外框結構收進方式

1.1、雙柱式外框結構收進方式

站在結構受力的角度上而言，雙柱式外框結構收進方式最為合理。雙柱式外框結構收進方式的特點是在退臺以下的樓層平面上具有2 排立柱且后面的外圍立柱可下延至基礎底板。在退臺尺寸較大的情況下，雙柱式外框結構收進方式的應用比較普遍。應用雙柱式外框結構收進方式可以避免豎向構件轉換，從而使樓面荷載通過最直接的方式（樓板→樓面梁→外框柱→基礎）來傳遞。但由于在退臺以下樓層平面中增設了1 排立柱，因此雙柱式外框結構收進方式可能會一定程度地影響到建筑使用功能。

1.2、斜柱式外框結構收進方式

斜柱式外框結構收進方式的特點是由斜柱連接退臺前和退臺后的外圍立柱，所以其外框柱的豎向傳力較直接。在退臺尺寸較大的情況下，斜柱式外框結構收進方式的應用也比較普遍。不過，由于斜柱會引起轉折部位形成水平分力，所以需合理設計斜柱的斜率（以1：10-1：4 為宜）。建筑功能和空間布置也會受斜柱影響，斜率越小，則受影響的樓層數越多。

1.3、轉換結構式外框結構收進方式

轉換結構式外框結構收進方式的特點是利用一些轉換結構（轉換桁架、轉換梁等）來實現上部立柱的荷載向核心筒和下部外框柱的傳遞。對于轉換層部分來說，受轉換結構的影響較大，而非轉換層部分一般不受影響。

1.4、搭接柱式外框結構收進方式

搭接柱式外框結構收進方式的特點是通過搭接柱的形式與外圍豎向構件進行連接。一般在退臺尺寸較小且上、下外框柱之間的距離也不大的情況下，常會應用搭接柱式外框結構收進方式，其優點是對建筑的影響較小。

1.5、懸挑梁式外框結構收進方式

在退臺尺寸較小的情況下，可選擇應用懸挑梁式外框結構收進方式。懸挑梁式外框結構收進方式的特點是分別將上、下部外框柱設置在樓板邊緣附近和樓板內部，保持連續。

1.6、不同外框結構收進方式之間的比較

首先，在豎向傳力方面：雙柱式外框結構收進方式和懸挑梁式外框結構收進方式不會改變結構的豎向傳力路徑、收進處的構件不會產生附加內力；斜柱式外框結構收進方式可保持外框柱的豎向傳力路徑不變，但會造成在斜柱轉折樓層出現兩個較大的水平力，需對轉折處的水平構件進行加強；轉換結構式外框結構收進方式容易改變結構的豎向傳力路徑，造成豎向荷載傳力路徑過長；搭接柱式外框結構收進方式可保證在豎向上直接傳力，但會在搭接段產生附加偏心彎矩。其次，在抗側剛度方面：斜柱式外框結構收進方式的抗側剛度較大，其抗側能力與傾斜角度成正比；轉換結構式外框結構收進方式可顯著提高退臺處的結構抗側剛度，并在核心筒內產生較大的附加剪力和彎矩；其它外框結構收進方式對抗側剛度的影響均較小。

2.2 核心筒結構收進方式

常見的核心筒結構收進方式有雙翼墻收進式核心筒結構收進方式、按區格收進式核心筒結構收進方式、斜墻收進式核心筒結構收進方式、墻體轉換收進式核心筒結構收進方式等，且前三者均為墻體直接傳力。核心筒結構收進方式會造成在收進樓層及相鄰樓層出現應力集中，因為收進處的墻體截面會發生突變。若想減小應力集中，可在收進處采用斜墻過渡。

3 由退臺引起的偏心效應分析

3.1 傾覆力矩

由于在收進處質心與豎向構件形心會出現偏心，所以會大大增加傾覆力矩（與由水平荷載引起的傾覆力矩相同）。受結構重量大的影響，一旦收進尺寸較大就會造成較大的偏心，進而引起較大的傾覆力矩，周邊豎向構件承載的軸力因此而發生失衡。

3.2 水平變形

傾覆力矩會直接影響到豎向荷載作用下樓層位移的變化，且兩者呈正向相關，當傾覆力矩較大時變形程度也會變大。層間位移角的變化跟結構體系也具有相關性，加強層處的層間位移角曲線往往會呈明顯的收進。所以在實際設計中應注意偏心引起的水平變形問題。

4 退臺處剛度突變及對結構抗震性能的影響分析

以某項目的T1 塔樓為例，其初步設計為核心筒收進在30 層退臺處集中，核心筒截面與外框柱截面于30 層開始逐漸減小，結構層間位移角曲線會受水平荷載的作用而在30 層處發生較大的突變，由此可見結構在退臺處具有較大的剛度突變。為此，在設計中需將原本30 層的X 向收進延伸至35 層以避開加強層和集中收進區域、使豎向構件的截面避開加強層和集中收進區域、適當減小收進墻體的尺寸并對墻體開洞，以減少其剛度突變，改善30 層處層間位移角突變，提高剛度分布的均勻性。當碰到罕遇地震作用情況時，對30 層退臺處各組地震波的時程分析結果均呈現出了顯著突變，且這也是核心筒墻體損傷較嚴重（損傷因子＞0.3）的地方。因此在設計中應按照薄弱層的標準對退臺處樓層進行設計，將其地震作用放大至少1.25 倍。另外，還要基于科學的彈塑性時程分析結果，合理在收進處墻體內使用型鋼及適當地加強配筋，這樣才能夠確保當碰到罕遇地震作用情況時，核心筒具有足夠的抗震性能。

5 結語：

綜上所述，退臺式收進體型超高層建筑結構集超高層建筑、退臺式建筑及收進體型結構等的特點于一體，是一種非常特殊的建筑結構形式，所以在其的設計過程中，需要把握的重難點及注意的問題較多。特別是由于結構受力的特殊性，在退臺式收進體型超高層建筑結構設計中必須要合理選擇結構收進方式，并最大限度地減小偏心不利效應及剛度突變，以保證結構的抗震性能。