基于性能化設計方法的某超高層建筑結構設計

王 淵 （內蒙古自治區本級政府投資非經營性項目代建中心，內蒙古 呼和浩特 010000）

近年來，高層建筑的崛起在世界各地的城市建設中展現了無限的創造力。標志性的特色建筑以其驚人的高度、復雜的形態和多用的功能引人注目。高層建筑作為城市發展的標志，不僅提高了土地利用率，也為人們提供了獨特的空間體驗[1]。然而，高層建筑設計在結構安全性和節能環保等方面也面臨許多挑戰，因此，致力于性能化設計方法是確保高層建筑性能可靠、結構穩定的重要途徑。本文結合實際的超高層建筑設計項目，采用性能化設計方法，聚焦于設計條件、高層建筑結構方案以及性能化分析等關鍵方面，以期為高層建筑設計領域的進一步發展和實踐提供有益的參考。

1 工程概況

XY超高層建筑位于某地級市商圈核心位置，作為該地區的地標性建筑，該項目旨在突顯城市的現代化形象和經濟實力。項目地點得天獨厚，享有秀麗的城市景觀和便捷的交通，將為城市增添獨特的城市魅力。該項目是一個集商業辦公、商業零售、多功能娛樂、精品公寓、五星級酒店于一體的復合型地產項目，主體建筑高度為116.5m，地上30 層，地下3 層，建筑占地面積8250m2，總建筑面積157860m2。XY超高層建筑采用現代、創新的建筑風格，通過流線型的外觀和獨特的建筑造型，將成為城市的視覺焦點。結構類型為框架剪力墻結構體系，通過結構分析和創新設計，確保建筑穩固性和安全性。

2 高層建設結構設計方案

2.1 豎向承重結構

豎向承重結構首先需要確保建筑的穩定性和安全性。豎向承重結構在高層建筑中起著至關重要的作用，它負責將垂直荷載從頂部傳遞到基礎，并確保整個建筑的穩定性和承載能力[2]。建筑下部的1~5 層為多功能娛樂和商業零售，6~15 層為商業辦公,16~30 層為星級酒店和精品公寓。商業部分需要開闊空間，根據功能要求和受力情況，結構類型采用框架剪力墻結構體系。1~5 層的柱距設計為8.8m×8.8m，樓梯間四周設置框架柱，剪力墻布置在電梯井處；6~30層的柱距設計為7.5m×7.5m，轉角處設置剪力墻。首層柱網結構布置如圖1所示。

圖1 首層柱網布置

2.2 水平承重結構

水平承重結構在高層建筑中起到抵抗風荷載、地震力和水平振動等橫向力的作用。通過結構分析和優化，水平承重結構能夠有效地抵抗外部橫向力，同時與豎向承重結構相互協調，形成一個穩定、安全和功能完備的建筑體系。地上部分采用肋梁樓蓋，地下車庫采用無梁樓蓋。1~5 層梁、板布置圖如圖2 所示，6~30 層梁、板布置圖如圖3所示。

圖2 第1~5層結構布置圖

圖3 第6~30層結構布置圖

3 結構設計性能化分析

結構設計的性能化分析是確保超高層建筑的安全性、可靠性和適應性的關鍵環節。在設計過程中，需要綜合考慮多種情況，尤其是地震作用下的性能，按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準設防原則進行分析[3]，使用專業的工具和方法評估建筑結構的性能表現。

3.1 小震作用下的性能分析

小震，震級在3.0~3.9 之間，要求層間位移角小于1/800rad，所有部位的變形均應是彈性變形[4]。小震作用下的性能分析采用YJK計算軟件，計算參數如表1所示。

表1 小震作用分析的計算參數

3.1.1 層剪力和剪力系數

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》4.3.12,抗震設防烈度為6 度且基本特征周期為0.35s 的地區，樓層最小地震剪力系數值為0.008。XY 超高層建筑的各層剪力和剪力系數如表2所示。

表2 小震作用下各層剪力和剪力系數值

剪力系數曲線如圖4所示。

圖4 小震作用下各層剪力系數

由表2 數據以及圖4 可知，第一層的剪力系數最小，X 方向數值為0.0083，Y 方向數值為0.0093，均大于規范規定的最小地震剪力系數值0.008。隨著樓層數的增加，剪力系數逐漸增大，因此，該超高層建筑的結構設計在小震作用下，符合規范要求。

3.1.2 結構位移及層間位移角

小震作用下各層位移和層間角如表3所示。

表3 小震作用下各層位移和層間角

規范規定，層間位移角不得大于1/800。表3 數據顯示，X 方向最大層間位移角出現在16 層，數值為1/1585；Y 方向最大層間位移角出現在20 層，數值為1/2134，均小于1/800，符合設計要求。

3.2 中震作用下的性能分析

中震的震級在4.0~5.9之間，震感較強，能夠感受到建筑物和人造構筑物的震動。在中震作用下，要求關鍵部位構件，如底部加強區剪力墻、框架柱，在剪力作用下僅產生彈性變形，壓彎和拉彎不能達到屈服極限。而一般部位的連梁、框架梁等，允許出現抗彎屈服，但在剪力作用下不能達到屈服極限[5]。計算參數如表4所示。

表4 中震作用分析的計算參數

XY 超高層建筑在中震作用下的各層剪力和剪力系數如表5所示。

表5 中震作用下各層剪力和剪力系數值

中震作用下的剪力系數曲線如圖5所示。

圖5 中震作用下各層剪力系數

由表5 數據以及圖5 可知，第一層的剪力系數最小，最小為0.0247，大于規范要求的0.024。隨后逐層增加，最大值為0.1315，出現在頂樓的Y 方向。進一步計算表明，各層未出現拉應力超出混凝土抗拉極限的情況，結構設計滿足中震作用下的性能設計目標。

3.3 大震作用下的性能分析

大震的震級在6.0 以上，震感極強，能夠造成建筑物倒塌，對人民生命和財產安全造成極大威脅。大震作用下的性能分析在于評估建筑結構在極端情況下的響應和性能表現，計算參數如表6所示。

表6 大震作用分析的計算參數

在大震作用下的各層剪力和剪力系數如表7所示。

表7 大震作用下各層剪力和剪力系數值

大震作用下的剪力系數曲線如圖6所示。

圖6 大震作用下各層剪力系數

由表7數據以及圖6可知，第一層的X方向剪力系數最小，數值為0.0568，大于規范規定的最小地震剪力系數值0.056。隨著樓層數的增加，剪力系數逐漸增大，至30層時，Y方向取得最大值0.292。因此，該超高層建筑的結構設計在大震作用下，符合規范要求。

大震作用下各層位移和層間角如表8所示。

表8 大震作用下各層位移和層間角

規范規定，層間位移角不得大于1/100。表8 數據顯示，X 方向最大層間位移角出現在18 層，數值為1/275；Y 方向最大層間位移角也出現在18 層，數值為1/351。大震作用下，未出現坍塌的情況，滿足大震不倒的抗震設防目標。該超高層建筑X方向的最大頂點位移為282.7mm，Y方向最大頂點位移為247.86mm，分別為建筑總高度的1/411與1/475，均小于1/100，符合設計要求。

4 結語

結合某超高層復合地產項目，分析基于性能化的高層建筑結構設計方法，得到如下結論：

（1）建筑豎向承重結構采用框架剪力墻體系，水平承重結構，地上部分采用肋梁樓蓋，地下車庫采用無梁樓蓋。

（2）小震作用下，最小剪力系數為0.0083，最大層間位移角為1/1585，均符合規范要求。

（3）中震作用下，最小剪力系數為0.0247，各層未出現應力超出混凝土抗拉極限的情況，設計滿足中震作用下的性能設計目標。

（4）大震作用下，最小剪力系數為0.0568，最大層間位移角為1/275，均符合設計要求。