超高層結構設計與優化

胡定紅

摘要：超高層項目的抗震設計應采取嚴格的技術措施以保證其結構安全。本文結合中國郵政儲蓄銀行項目設計，對復雜超高層的抗震分析，彈塑性時程分析及性能設計的有關內容進行了綜述并針對項目設計中出現的問題進行了合理優化與處理。

關鍵詞：超高層建筑抗震設計;連梁超筋調整;優化設計

隨著社會經濟的快速發展，工程中復雜的多層、高層以及超高層建筑體系越來越多。中國郵政儲蓄銀行營運中心高度126.9m，屬于超高層建筑。在設計過程中首先要在滿足建筑功能及抗震性能的前提下選擇切實可行的結構類型（營運中心采用框架核心筒），以使其具有良好的結構性能。

1 計算結構體系

框架抗震墻結構體系是一種最典型的雙重抗側力體系，抗震墻作為第一道抗震防線，而框架作為第二道防線（框架部分分擔的地震剪力達到20%以上），而對于框架核心筒結構體系，重點在于核心筒部分，筒體若失效，整個結構就會倒塌。這是因為核心筒可以承擔絕大部分剪力和大部分的傾覆力矩，同時外圍框架卻只能承擔很小部分的地震剪力（約小于15%）和小部分傾覆力矩（約小于40%）。這樣會導致框架部分有明顯的剪力滯后，不能形成完全意義上的框架抗震墻結構中框架為第二道防線的作用。

框架柱與核心筒相比抗側力剛度太弱，高規把框架核心筒結構的二道防線調整比框架抗震墻結構更嚴格些。小于10%，應增大到15%，核心筒剪力墻乘以1.1增大系數;大于10%但小于20%，按普通框架剪力墻調整。本工程占10.19%， 所以按框架剪力墻的相應要求進行了調整。

2 計算結果分析

為了保證超高層結構設計的合理性和安全性，規范對復雜結構的計算分析提出了更高的要求。本項工程采取兩種計算體系，二者對結構體系指標共同控制，包絡設計。

該工程利用PKPM進行建模分析，利用SATWE和PMSAP兩種分析體系模塊進行計算分析，并按規范要求采用SATWE進行彈塑性時程分析。根據高層建筑超限特點，整體結構采用SATWE和PMSAP兩個不同力學模型的結構軟件進行對比計算分析，對結構進行更詳盡的分析：考慮彎扭偶聯的影響;偶然偏心的影響;平扭周期分析;層間位移角分析;樓層剛度比分析;層間剪重比分析;結構穩定驗算等。對豎向剛度突變層次，開洞部位和端跨的樓板采取加強措施，適當增加板厚及梁板配筋率，板采用雙層雙向配筋。洞口周圍框架柱箍筋全長加密，縱筋適當放大，增加芯柱，控制住軸壓比。

PMSAP與SATWE中以節點對位為前提的經典協調模式不同，PMSAP墻元在子結構邊界上引進了與協調性度量泛函相關的廣義協調模式，殼元模型假定剪力墻的面內為平面應力狀態，面外為板彎曲狀態，這與剪力墻的實際情況非常符合。該協調模式導致墻元網格剖分局部化，在分析中易于兼顧協調性、良態的單元形狀以及粗細適度的網格尺寸。無論從子結構層次還是從子單元層次，PMSAP墻元與SATWE墻元都迥然不同，屬于不同的力學模型。

3 設計問題的處理

3.1連梁超筋調整方法

剪力墻結構，框架-剪力墻結構以及框架核心筒結構的設計中，剪力墻連梁超限是經常遇到的問題，也是解決起來比較棘手的問題。

對連梁超筋主要有以下幾種方法：1）連梁調幅處理;2）減少連梁的截面，主要是降低連梁的截面高度，從而達到減小連梁計算內力的目的，同時加大抗震墻的地震效應設計值;3）連梁鉸接處理，即假定連梁在大震下破壞，對抗震墻按獨立墻肢進行第二次多與地震作用下的結構內力分析，墻肢按兩次計算所得較大內力進行配筋設計。

本項目采取了如下處理方式：

1：通過改變連梁計算截面高度，尋求實際截面連梁的最大抗剪承載力所對應的截面彎矩設計值，及與之相應的抗震墻內力和配筋。

2：對抗震墻應進行包絡設計，配筋取兩次計算結構的較大值。

3.2 優化設計在該項目中應用

層高直接影響項目的造價，因為層高增加，墻體面積和柱體積增加，并增加結構的自重，會增加基礎和柱的承載力，并使水和電氣的管線加長。降低層高，可節省材料、節約能源，有利于抗震，節省造價。

本項目原設計兩層地下室（機械車庫）與三層地下室方案比較，造價方面有如下變動：

1.為了保證機動車停車數量，如修改為兩層地下室，須將原平面停車位修改為機械車位，修改后機械車位約為460輛，機械車位單價約2萬元/每個，總計增加投資約920萬元。

2.另外因須做三層機械車位（三個平面停車位做三層機械車位可停車7輛），地下室每層層高須增加1.7m，因此修改成地下兩層機械庫后地下室總埋深比原設計三層地下室僅減少1.7m。土建造價較三層地下室方案減少約900萬元。

4 總結

該項目屬于復雜超高層項目，結構安全應放在第一位，各項控制指標應嚴格按照規范要求去處理控制，在結構設計方案初步確定以后，應針對結構的不規則程度，合理選擇抗震計算方法。此外優化技術是實現建筑設計的“適用、安全和經濟”目標的有效途徑，合理的結構設計優化方法應在滿足建筑結構長遠效益的前提下，盡量減少建筑結構的近期投資以提高建筑結構的可靠度和合理性。

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