浅谈超限高层建筑结构设计

严雄

摘要：近些年，随着我国社会经济快速发展，建筑业得到了很大的发展与进步，超限高层建筑在全国各地广泛崛起。超限高层建筑体量大、体型复杂，如何评估和保证超限高层建筑在地震作用下的安全性能尤为重要。本文结合工程实例对超限高层建筑结构设计进行探讨。

关键词：超限高层建筑；结构；设计

1工程概况

某超限高层建筑由办公塔楼和商业裙房组成。屋面高度为73.5m，地上16层，地下3层，埋深约19.8m，总建筑面积77995平方米。塔楼采用密柱框架－核心筒结构。

2设计参数

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068－2001），本工程设计基准期50年，结构安全等级二级，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度（0.1g），设计地震分组第一组，建筑场地类别为IV类，特征周期为0.9s，50年重现期基本风压取0.55kN/m2，地面粗糙度类别为C类。

3工程地质分析

根据岩土工程勘察资料，地下水、土对混凝土具微腐蚀性，地下水（潜水）埋深一般为0.70～1.20m，拟建场地为不液化场地。采用后注浆钻孔灌注桩（塔楼下桩径为850mm，桩端持力层为⑨粉砂层，有效桩长44m）。经计算，水平地震作用和风荷载作用下，基底均未出现零应力区，基础设计满足高层建筑结构抗倾覆要求。

4结构体系

塔楼共16层，高宽比1.28，长宽比1.00，呈正方形，平面尺寸57.4mX57.4m。3层楼面设置转换层，3层以上密柱间距为5.25m，采用型钢混凝土柱和型钢混凝土梁进行转换，型钢混凝土柱间距为10.5m。塔楼北侧外框柱和核心筒间距较大，设置一排型钢混凝土内柱。除东南角13～14轴线之间一段内墙在首层进行转换外，核心筒剪力墙从上至下基本连续。外框柱和核心筒间距约为13米。结构抗震等级：筒体一级，型钢混凝土框架二级（其中转换层框架一级），钢框架三级。

5结构超限情况

依据住房和城乡建设部关于《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知（建质（2010）109号），塔楼超限情况判定如下：（1）考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，小于1.4，扭转不规则；（2）二层楼板开洞面积大于30%，楼板不连续；（3）首层一段核心筒内墙上下不连续，3层部分柱不连续，属构件间断。综上，塔楼属于超限高层建筑。

6抗震性能目标

按高规3.11条进行结构抗震性能设计，根据以上超限情况，结合结构体系特点，提出结构抗震性能目标为D，对转换层型钢混凝土框架采用更高的性能设计（即在设防烈度地震下采用弹性设计）。

7结构计算与分析

（1）结构计算假定。本工程嵌固端取地下室顶板（地下一层剪切刚度/地上一层剪切刚度分别为X向4.0，Y向2.81，均大于2）；地震力计算采用CQC法；振型数≥21，并满足有效质量参与系数大于95%；采用全楼刚性假定进行整体分析；地震计算中考虑结构的扭转藕联及5%的偶然偏心；周期折减系数取0.90；风荷载体型系数取1.3；混合结构在多遇地震下的阻尼比取0.04。

（2）水平地震及风荷载计算。依据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3－2010第5.1.12条，采用两个独立软件ETABS和SATWE分别进行建模分析，并对分析结果进行对比，塔楼在多遇地震及风荷载作用下的结构分析结果显示，两个软件差异均在10%以下，基本一致。结构体系满足承载力及稳定性的要求。地震作用下最大层间位移角为1/992，小于1/800，满足JGJ3－2010第3.7.3条。规定水平力作用下，楼层最大层间位移与该楼层平均值比值为1.33，小于1.4。

（3）弹性时程分析。依据《建筑抗震设计规范》GB50011－2010第5.1.2条，不规则建筑应采用时辰分析法进行多遇地震下的补充计算。按照场地特征选取5条天然波和2条人工波单向施加在多遇地震弹性时程分析模型中。计算结果显示，单条时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法所求得底部剪力的65%，7条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法所求得底部剪力的80%。结构体系中无明显薄弱层，时辰分析法包络值较振型分解反应谱法计算结果小，小震弹性设计由振型分解反应谱法控制。

（4）设防烈度地震及罕遇地震作用下重要构件补充分析。根据工程的超限情况，设定各重要构件在中震和大震时的抗震性能目标。三层转换框架是塔楼重要的结构构件，性能目标确定为中震弹性，大震不屈服。计算时构件承载力抗震调整系数取1.0，材料强度采用标准值。转换梁正截面抗弯及抗剪承载力按《高层建筑钢－混凝土混合结构设计规程》（CECS230∶2008）中6.3条计算。中震内力组合下，转换梁最大弯矩约6000kN*m，最大剪力约3500kN，设计选用梁截面600X1600，梁内型钢采用H1300X400X25X40，配筋率上下各0.2%，转换梁抗弯和抗剪承载力可达到中震弹性设计要求；罕遇地震工况下，转换梁最大弯矩约为8600kN*m，最大剪力约为5000kN，经计算分析，按上述中震内力组合所设计的转换梁，其承载力可满足大震不屈服的设计要求。二层楼板局部开洞，楼板开口区域内转换柱为跨层柱，选取该位置的柱进行设计。经计算，当柱内型钢采用H450X450X20X40、柱配筋率取3.7%时，转换柱可达到中震弹性要求，并且大震屈服验算后，转换柱的承载力也能满足大震不屈服的设计要求。

（5）设防地震作用下楼板应力。整体结构二层楼板局部缺失，三层为转换楼层，为使这两层楼板内水平力能够有效传递，将这两层楼板加厚到150mm，并适当加大楼板配筋。其余标准层楼板存在两个较大洞口，对这些开洞的周边楼板也进行适当加强设计。在结构整体计算模型中，楼板采用弹性楼板（shell单元）进行模拟，以考虑薄弱楼板平面内变形对周边构件以及整体结构的影响。在设计过程中，对计算得到的楼板内力进行详细分析，通过设计调整，控制连接板内主应力大小，即板内主拉应力标准值小于混凝土抗拉强度标准值。

8结构抗震加强措施

该工程存在平面不规则、楼板不连续、构件间断等不规则情况，塔楼属于超限高层建筑。根据前述计算分析，设计中采取一系列的措施，总结如下：（1）由于核心筒偏置，使得结构整体刚度极不对称，结构抗扭性能较差，为提高结构抗扭能力，将核心筒外墙厚度作适当调整：东西两侧墙厚400mm，南侧墙厚350mm，北侧墙厚度为300mm，内部墙厚为200mm。调整后，塔楼的重心和刚度中心基本重合，结构第一扭转周期和第一平动周期比调整至0.85左右，层间位移比（楼层最大水平位移/该楼层水平位移平均值）控制到1.4以下；（2）在楼板不连续的2层和转换楼层3层，将楼板加厚为150mm，配筋率提高到不小于0.25%（双层双向）；楼板开洞处柱计算长度作特殊考虑，按穿层柱处理；转换层框架的抗震等级提高为一级；（3）型钢混凝土柱区（1层到3层楼板之间）的抗震性能目标为：P－M中震弹性，斜截面抗剪中震弹性，大震不屈服。

9结语

本工程属于结构超限项目，由于采用了外围密柱框架+核心筒的结构体系，并对型钢混凝土转换框架采用中震弹性的性能化设计，对其中最关键的转换层做了加强，各项性能指标均符合国家规范要求，整体结构具有良好的抗震性能。上述分析表明，本工程能充分满足竖向荷载、地震、风荷载作用下的受力要求，结构安全可靠。

参考文献：

[1]GB50011－2012建筑抗震设计规范[S]．

[2]JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]．

[3]CECS28∶2012钢管混凝土结构设计与施工规程[S]．

[4]CECS230∶2008高层建筑钢－混凝土混合结构技术规程[S]．