復雜超高層結構設計分析

文｜梁文華 李世勇

1工程概況

復雜高層和超高層建筑結構復雜、施工難度大，在進行結構設計需要考慮的因素很多，必須結合工程項目的高度和規模、地質條件、所在地區的抗需要求等情況，進行深入分析和研究，根據有關規范和要求，確定合適的結構體系和類型，堅持安全、經濟實用為原則，設計出質量安全可靠、造型美觀、功能齊全的復雜高層與超高層建筑物，

為市民提供舒適體驗與審美體驗，促進城市有序發展。

某工程設計項目，總建筑面積27.98萬m2，地上由1座40層173.7米高的辦公樓塔樓（2A座）、2座43層140米高的公寓塔樓（2B、1A座）、3座30層100米高的住宅塔樓及3～4層的商業裙房組成；地下為滿布3層地下室，其中地下1層局部為商業及設備用房，其它部分為車庫，地下2、3層為車庫（見圖1）。

圖1 某工程項目示意圖

圖2 2A座塔樓結構三維示意圖

受篇幅所限，主要介紹2A座超高層辦公塔樓，結構高度為173.7m，地上40層，地下3層，其中地上4層為商業裙房，5層及以上各層為辦公，層高4.2m；11層及26層為避難層，層高5.5m。塔樓結構體系為框架-核心筒，在14層以下框架柱設型鋼。其建筑結構三維示意圖見圖2、剖面圖見圖3。

按《高規》第3.3.1條定義為B級高度結構。根據《高規》，本工程框架梁、柱抗震等級二級，剪力墻、連梁抗震等級二級。

根據《建筑抗震設防分類標準》，本工程抗震設防類別：住宅為丙類，集中商業為乙類。根據《建筑抗震設計規范》，本工程所在地區抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，基本加速度值為 0.05 g。結構設計時，在小震作用下，按安評報告的地震動參數計算。本項目位于6度區，但安評報告小震地震影響系數超過了規范7度的水平，所以中震、大震作用按安評報告提供的地震動參數取值，包括反應譜和加速度峰值，見圖4。

圖3 2A座塔樓剖面圖

圖4 多遇地震水平地震影響系數曲線

根據《建筑結構荷載規范》，變形計算取50年一遇的基本風壓，ω0為0.75kN/m2。根據《高規》，強度計算按1.1×ω0取值，地面粗糙度為C類。

2 結構布置

見圖 5（a）至（e）。

3 超限類型及工程抗震性能目標

(1) 根據《高規》表3.3.1-2，屬于B級高度高層建筑。

(2) 局部的穿層柱。

根據上述超限項檢查，該項目不規則項超過適用范圍較少，將結構抗震性能目標定為C級。

4 項目特點及設計處理

（1）結構超高：本項目辦公塔樓為173.7m，地上40層，按《高規》第3.3.1條定義為B級高度結構。結構的高寬比為173.7/36.2=4.8，核心筒高寬比為173.7/12.2=14.2。

復雜高層和超高層建筑，建筑物高度超高，須結合建筑平面布局，選擇相應合適的結構體系，控制結構層間位移，確保建筑物抗側能力，以保證建筑物的安全性和穩定性，本塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構。

復雜高層和超高層建筑結構的變形和內力計算分析包括彈性計算、彈塑性分析計算，根據需求選擇合適的軟件進行計算分析。本項目采用了2 種結構模型分析軟件，采用了YJK和ETABS進行多遇地震，設防烈度地震及風荷載作用下結構整體計算分析，準確分析各結構構件梁、柱、墻的受力表現，滿足性能目標。

圖5（a） 第2層結構平面布置示意圖

圖5（b） 低區～中區奇數層結構平面示意圖

圖5（c） 低區～中區偶數層結構平面示意圖

圖5（d） 高區奇數層結構平面示意圖

圖5（e） 高區偶數層結構平面示意圖

表1

表2

根據豎向構件的軸壓比及體系層間位移角指標，框架柱截面從底部1400×1200到上部樓層分段收小，頂部樓層段為800×800；核心筒外圍剪力墻厚度從底部700mm分段收進至400mm；標準層框架梁截面為500×800，主要構件截面見表1。風荷載作用下本塔樓層間位移角為1/645（Y向風荷載作用，24F），地震作用下本塔樓層間位移角為1/772（Y向地震作用，28F）均小于規范限值1/608。在滿足受力及位移角指標需求的前提下分段收進減小豎向構件截面，既能減小結構自重又能有效增加建筑使用面積（見表2）。

（2）樓層開洞及核心筒調整。本項目共設置了三個建筑避難層，分別為十二層、二十二層、三十二層。建筑功能根據避難層分段，電梯也會相應調整其分區。核心筒剪力墻會根據建筑功能及房間布置，在分段處有收減調整。為使產品更豐富，各標準層均有一柱跨樓板設置開洞形成通高空間，在低區和中區其開洞位置為左上、右上兩個角部柱跨；在高區偶數層設置在核心筒右側柱跨，核心筒剪力墻因此進行了收減。

（3）二層局部開大洞，外框柱為越層柱。辦公塔樓二層入戶大堂處設置上空，為兩層10.2m的通高空間，在性能化設計計算分析時須重點關注越層柱的受力表現，加強箍筋配置，提高越層柱的抗剪能力。

（4）底部樓層框架柱設置型鋼。從基礎頂至十六層樓板面框架柱設置了型鋼，為型鋼混凝土柱。若不設置型鋼，則混凝土柱截面需做到1600×1600，柱截面過大影響建筑使用面積，對地下室停車效率有較大影響。設置型鋼后，柱截面可控制在1400×1200，獲得更好的建筑效果和經濟性。

5 罕遇地震作用下動力彈塑性分析

5.1 分析方法

彈塑性分析可分為靜力彈塑性分析（pushover）和動力彈塑性分析，本工程采用基于隱式積分的動力彈塑性分析方法，具有完全的動力時程特性。計算時直接輸入地震波，考慮了幾何非線性“P-△”效應，考慮了材料非線性，可準確模擬結構的破壞情況。

5.2 分析軟件

采用彈塑性性能軟件PERFORM 3D進行分析，PERFORM 3D (Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structure)三維結構非線性分析與性能評價軟件，是一個致力于抗震設計的非線性軟件工具，通過使用以變形為基礎或者強度為基礎的極限狀態來進行復雜結構的非線性分析，包括纖維截面的剪力墻單元。PERFORM 3D軟件結合美國抗震規范ATC-40和FEMA-356或ATC-440自動對結構進行評價。目前Perform 3D和Sap2000、Etabs同為美國CSI公司的結構設計軟件，在結構彈塑性性能分析方面廣泛應用。

5.3 非線性地震反應分析模型

模型單元包括混凝土梁，混凝土柱（包括斜柱），剪力墻。各單元通過共節點連接在一起，構成整體模型。采用剛性樓板假定，但局部大開洞部位采用彈性板，彈性板及開洞邊獨立的柱子節點不包括在剛性樓板范圍內。

本工程應采用動力時程分析進行罕遇地震作用下的彈塑性計算，地震波由安評報告提供場地人工波；天然波采用Ecentro天然波、Taft波，及KX波天然波輸入采用雙向同時輸入，加速度最大值主方向：次方向=1:0.85。

通過對梁彎矩鉸轉動性能、梁抗剪性能、柱PMM鉸性能、柱剪力性能、剪力墻混凝土壓應變、剪力墻鋼筋應變性能的分析，構件性能均能達到性能目標（見圖6、圖 7）。

通過對二層局部開大洞口處樓板受彎、受剪、受壓、受拉分析，可得出承載力狀態均可滿足要求。

6 結論

復雜高層建筑和超高層結構不斷涌現，在進行具體結構設計時，需要做好有關建筑結構的概念設計、抗風和抗震的抗震性能、結構抗側力體系、軟件選擇和計算的準確性以及結構方案和結構類型選擇等，同時還要選擇合適的施工技術及抗震性能優良的施工材料，提升建筑物的穩定性和安全性，促進目前建筑行業進步與發展。

圖6

圖7