簡談超高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　鋼筋混凝土柱外框架體系將作為有效的承重支撐，怎樣淺談超高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

　　一工程概況的地基基礎(chǔ)

　　某項(xiàng)目地上建筑面積為13.45萬m，地下建筑面積為4.3萬m，總建筑面積為17.75萬m。根據(jù)巖土工程勘察報告，本工程場地地基土層為第四紀(jì)沖海積的黏土和淤泥層，基底巖性為侏羅紀(jì)熔結(jié)凝灰?guī)r，場地內(nèi)無液化土層。賓館塔樓柱下荷載最大達(dá)3.8×104kn，商務(wù)塔樓柱下荷載最大達(dá)3.5×104kn，采用大直徑灌注樁，平板式樁筏基礎(chǔ)。經(jīng)優(yōu)化比較，樁徑 700～1100較為合理。商務(wù)樓和賓館塔樓下筏板厚度為3m，其他位置底板采用厚板式，板厚為1.2m。針對本工程塔樓和輔樓預(yù)期存在的沉降差異問題，在各塔樓與輔房之間設(shè)置后澆帶，并配合相應(yīng)的后澆帶處理措施和大體積混凝土澆筑措施，解決了超長結(jié)構(gòu)混凝土的收縮裂縫問題和塔樓與輔樓間的沉降差異在基礎(chǔ)底板中產(chǎn)生過大內(nèi)力的問題。

　　二結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

　�、沤Y(jié)構(gòu)體系。塔樓外框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱，鋼筋混凝土柱外框架體系將作為有效的承重支撐，大部分豎向荷載通過軸力方式向下傳遞，而混凝土核心筒除了承受豎向荷載外，其主要功能是提供強(qiáng)大的抗側(cè)力能力。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：6度區(qū)現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一核心筒結(jié)構(gòu)適用的最大高度為150m，本工程兩塔樓的房屋高度均為161.1in，僅超過11.1m;本工程屬b級高度，而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：6度區(qū)框架一核心筒結(jié)構(gòu)b級高度建筑的最大適用高度為210m，還有48.9m才超限;大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的存在使得本工程屬于特殊類型的高層建筑(大跨度連體)。但由于本工程塔樓高寬比h/b為4.4并不大，兩塔樓的平面及豎向結(jié)構(gòu)特性變化較少，且連廊與塔樓采用弱連接，對塔樓耦合影響小。計(jì)算分析結(jié)果也表明無異常薄弱層出現(xiàn)，且以風(fēng)荷載為控制水平作用。綜上所述，本工程有兩項(xiàng)輕微超限，設(shè)計(jì)時采取必要的抗震加強(qiáng)措施，在技術(shù)上是可行的，順利通過設(shè)計(jì)審。

　�、茝椥杂�(jì)算。本工程采用中國建筑科學(xué)研究院編制的《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件sat–we》、《特殊多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件pm—sap))及美國csi公司的國際通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件etabs等三個程序進(jìn)行整體計(jì)算，均采用抗震耦聯(lián)分析并考慮偶然偏心。用satwe程序進(jìn)行彈性動力時程分析。兩塔樓的自振特性計(jì)算結(jié)果見表1和表2，三個軟件的計(jì)算結(jié)果較接近，從側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)模型和分析的正確性。結(jié)構(gòu)的主要振型以平動為主，扭轉(zhuǎn)為主的第1自振周期與平動為主的第1自振周期之比，賓館塔樓分別為0.577、0.605、0.538，商務(wù)塔樓分別為0.593、0.603、0.529，均小于0.85，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(jgj3—2002)》的要求。

　　風(fēng)荷載及多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載及多遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大點(diǎn)位移和最大的層間位移角，可見在風(fēng)荷載和地震作用下的層間位移角度均小于規(guī)范限值。兩塔樓產(chǎn)生的最大屋面位移及最大層間位移角均是x方向風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的，其中商務(wù)塔樓最屋面位移為93.44mm，最大層間位移角為1/1537;賓館塔樓最大屋面位移為82.83mm，最大層間位移角為1/1743。最大層間位移角均小乎規(guī)范所規(guī)定的限值1/800。本工程塔樓屬于風(fēng)荷載為控制水平作用，在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大水平位移和層間位移與其平均值之比小于規(guī)范限值，說明結(jié)構(gòu)具有很好的抗扭剛度。

　　地震作用下樓層剪重比也是結(jié)構(gòu)整體分析的重要內(nèi)容，計(jì)算結(jié)果表明，兩塔樓各層x方向和y方向的層間地震剪力均滿足規(guī)范的最小剪重比要求。賓館塔基底框架和核心筒的x方向傾覆力矩分別為2.83×105kn•m，6.55x105kn•m;y方向傾覆力矩分別為2.66×105kn•m，8.09×105kn•m。商務(wù)塔基底框架和核心筒的x方向傾覆力矩分別為3.21×105kn•m，6.08×105kn•m;y方向傾覆力矩分別為2.37×105kn•m，7.66×105kn•m。核心筒所占傾覆力矩沿結(jié)構(gòu)高度始終大于總地震傾覆力矩的50%，表明對于整體結(jié)構(gòu)安全度是可靠的。

　�、菑椥詴r程分析。按照《巖土工程勘察報告》確定的場地類別，采用《工程場地地震安全性評價報告》提供的地震動參數(shù)，選擇兩組實(shí)際地震記錄波和一組人工模擬地震波進(jìn)行彈性動力時程分析。每條時程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力大于cqc法求得的底部剪力的65%，三條時程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于cqc法求得的底部剪力的80%。cqc法計(jì)算結(jié)果基本包絡(luò)三條時程曲線計(jì)算所得的平均值，僅在結(jié)構(gòu)頂部的少數(shù)樓層地震剪力偏小，說明設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在長周期階段的人為調(diào)整以及計(jì)算中對高階振型的影響估計(jì)不足，設(shè)計(jì)時將對頂部樓層的地震剪力進(jìn)行調(diào)整，滿足對時程分析法的內(nèi)力包絡(luò)要求。除此以外，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋可直接按cqc法計(jì)算結(jié)果采用。

　�、戎姓鸩磺�服分析和動力彈塑性分析。如前所述，本工程平面及豎向結(jié)構(gòu)特性變化較少，多遇地震下的計(jì)算結(jié)果也無超限情況出現(xiàn)，鑒于本工程建筑等級較高為確保結(jié)構(gòu)安全可靠，我們依然對其進(jìn)行了中震不屈服驗(yàn)算，使剪力墻、柱、連梁和框架梁等重要抗震構(gòu)件在中震作用下不屈服。

　　通過中震不屈服計(jì)算和判斷，兩塔樓結(jié)構(gòu)體系中豎向構(gòu)件在中震作用下保持著良好的彈性性能，而水平構(gòu)件特別是連梁則有部分進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過調(diào)整連梁和框架梁的配筋和對部分連梁截面進(jìn)行調(diào)整，才使所有主要水平構(gòu)件不進(jìn)入屈服狀態(tài)。這從設(shè)計(jì)上保證了中震不屈服的落實(shí)，體現(xiàn)了地震中各構(gòu)件的屈服順序基本上是首先連梁屈服，其次有部分框架梁屈服，而豎向構(gòu)件則未出現(xiàn)屈服情況。

　　三主要技術(shù)及措施

　�、趴罩羞B廊支承結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施。連廊弱連接支座留足連廊兩端活動空間確保不出現(xiàn)下墜，采用抗拉鉸接萬向支座，并用側(cè)面限位器固定，確保水平荷載直接傳遞到塔樓主結(jié)構(gòu)。支承連廊的框架柱抗震等級提高為一級，以確保安全性。

　�、七B廊及頂部塔樓結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施。連廊采用空間鋼結(jié)構(gòu)桁架，鋼筋混凝土樓板的形式，并進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。頂部蓮花座高度較高且外形復(fù)雜，采用將芯筒適度上升，外復(fù)鋼結(jié)構(gòu)形成蓮花座外形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能極大地減輕自重保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而有效克服鞭梢效應(yīng)，且施工方便。

　�、瞧矫媾まD(zhuǎn)不規(guī)則抗震加強(qiáng)措施。主要采取調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，使質(zhì)心與剛心盡量重合，并加大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，以減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)各樓層的位移比不大于1.4。例如由于塔樓平面存在局部凸出圓弧，部分樓論文聯(lián)盟層的x向最大水平位移與平均層間位移比值超b級高度的1.4，最大達(dá)到1.47，最終通過適當(dāng)加寬圓弧內(nèi)柱子x向柱寬，并加強(qiáng)兩柱聯(lián)系梁剛度得以解決。

　�、葌�(cè)向剛度不規(guī)則抗震加強(qiáng)措施。適當(dāng)加大立面變化處樓層的板厚及配筋，并采用雙層雙向配筋，加強(qiáng)與立面變化樓層相交的豎向構(gòu)件的配筋，如25層局部凸出圓弧結(jié)束，豎向構(gòu)件截面變化則避開25層，并適當(dāng)加強(qiáng)24～26層豎向構(gòu)件配筋。

　　四結(jié)束

　　超高層建筑雙塔結(jié)構(gòu)是一種非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)超高層建筑結(jié)構(gòu)已成為一個急需解決的問題。超高層建筑應(yīng)采用合理的計(jì)算模型，通過多種分析進(jìn)行比較，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的，因此設(shè)計(jì)者要足夠重視抗震設(shè)計(jì)。

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