浅谈超高层建筑结构的超限设计

浅谈超高层建筑结构的超限设计

郭炜键

身份证号码：445102199008161956

摘要：由于社会发展的需要，建筑物高度日渐增高，体型日渐复杂，结构设计的难度也越来越大。本文通过一个工程实例，介绍一下超高层建筑结构超限设计的处理方法及思路，以供其他设计参考。

关键词：超高层建筑；结构设计；超限设计；

一、前言

随着城市化进程的加快，土地资源日益紧张，为了充分利用有限的土地资源，建筑物的层数及高度只能不断增加，越来越多的超高层建筑拔地而起，并且建筑为了兼顾美观及使用，往往体型也伴随着较多的不规则性。对于超高层建筑结构设计，需针对超限情况采取对应的补充计算分析，并采取一定的加强措施，来保证建筑物的安全性。

二、工程实例

1.工程概况

本工程为超高层住宅小区，总建筑面积30.2万㎡，地上22.4万㎡，地下7.8万㎡。由9栋塔楼组成，设2层地下室，塔楼高度为148.75m~158.95m，地下室高度为10.48m。本文主要介绍其中1栋塔楼结构超限情况及处理方法。

本工程基本地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。50年重现期的基本风压为Wo=0.5kN/㎡，承载力计算时按基本风压的1.1倍采用，地面粗糙度类别为C类。塔楼主体采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系，隔墙采用蒸压加气混凝土砌块，塔楼外墙采用铝模砼墙。

墙混凝土强度等级为 C60～C30，梁板为C30；钢筋采用HRB400；嵌固端为基础面。

各楼层构件主要截面分别如下：地下室底板采用平板结构，塔楼底板1500mm，塔楼外底板厚度500mm；地下室顶板，塔楼范围外采用无梁楼盖体系，板厚400mm，塔楼范围内梁板结构，板厚160mm；塔楼标准层楼板厚度为 100～150mm。剪力墙厚 450mm ~200mm；框架梁截面200mm×400mm～250mm×1595mm，次梁为 200mm×300mm～200mm×605mm。

基础采用直径1.1m直径钻（冲）孔灌注桩，有效桩长约30~35m，单桩竖向承载力特征值12000kN，桩身混凝土强度C45，持力层为<4-4>微风化花岗岩层。

2. 超限情况

塔楼平面形状为“Y”字形，超限情况为：1.建筑高度为158.96m，大于150m属高度超限。2.最大扭转位移比为1.31，大于1.2属扭转不规则。3.平面凹凸尺寸为49.9%，大于30%属凹凸不规则。4.局部楼板开洞面积为42%，大于30%属楼板不连续。整体共存在高度超限及3项不规则项，属超限高层建筑工程。

3. 针对超限的情况补充计算

（1）用两个软件进行整体计算分析：设计时分别采用两个不同力学模型的空间结构分析程序YJK和Midas-Building进行整体计算，考虑扭转耦联和双向地震荷载作用，结果表明两个软件结果吻合较好，计算结果真实可信。

（2）单塔和多塔包络分析：考虑到大底盘多塔楼结构的复杂性，为了解裙房对塔楼的影响，计算中分别以单塔和多塔作为分析对象，对比分析结果。

（3）增加振型数：为考虑高阶振型对结构不利的影响，计算中将多塔楼的振型参与系数控制为95%。

（4）弹性时程分析：选用5组天然波和2组人工波，对结构作弹性时程分析，并将其结果的包络值与规范反应谱分析结果相比较，取其包络进行设计，根据弹性时程分析结构，对剪力增大的楼层剪力乘以剪力放大系数进行构件验算。

（5）性能化设计：采用等效弹性算法，进行中震不屈服、中震弹性与大震不屈服验算，分析其抗震性能，并采取相应加强措施。

（6）弹塑性时程分析：采用PKPM-Sausage对整体结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，有助于发现结构薄弱环节，并有针对性对结构构件进行加强，使结构能够满足预设的罕遇地震作用下性能目标和规范层间位移角要求。

（7）楼板应力分析：对裙房顶楼板、塔楼中部弱连接区楼板进行中震不屈服和中震弹性工况的应力分析，并针对性地加强楼板配筋。

（8）剪力墙偏拉验算：对风荷载下剪力墙偏拉验算进行了专项分析。

4. 针对超限的情况设计加强措施

（1）针对平面“扭转不规则”，充分利用飘窗和阳台位置加大端柱，加高加宽周边框架梁，增加结构整体抗扭刚度，控制扭转位移比不大于1.4。

（2）针对平面“凹凸不规则/楼板不连续”，加厚核心区及周边薄弱连接处楼板至150mm，验算楼板性能目标，对薄弱楼板部位进行加厚与加强配筋。

（3）针对塔楼剪力墙：

①剪力墙底部加强区按中震抗剪弹性、抗弯不屈服、大震不屈服的性能目标进行设计；局部位置的剪力墙（中震小偏心受拉）抗震等级提高为特一级，竖向分布筋最小配筋率提高为0.8%；其余剪力墙分布筋最小配筋率由0.25%提高到0.35%；

②非底部加强区的剪力墙边缘构件及水平筋需由小震与中震抗弯不屈服抗剪弹性包络配筋。底部加强区之上设置两层过渡层，其墙体水平和竖向分布筋配筋率不小于0.30%；一般部位最小配筋率0.25%；

③外围端柱、小翼缘墙垛同时满足框架柱设计要求，箍筋均按全高加密构造加强。

（4）裙房和塔楼框架柱柱箍筋按小震与中震抗剪弹性包络配筋，纵筋按小震与中震抗弯不屈服包络配筋。

（5）框架梁与连梁箍筋需由小震与中震抗剪不屈服包络配筋，纵筋由小震配筋即可。

（6）针对中震下受拉的混凝土墙肢:

①小偏心受拉的混凝土墙肢按特一级采取抗震构造措施；

②名义拉应力不超过0.5ftk的墙肢，提高墙肢竖向钢筋最小配筋率至0.4%以抵抗拉力。

③名义拉应力0.5ftk~1ftk的墙肢，提高墙肢竖向钢筋最小配筋率至0.8%以抵抗拉力。

（7）针对各层楼板，在核心区域及其周边薄弱连接处板厚取150mm，裙房顶层塔楼外板厚取250mm，裙房顶层塔楼内取150mm，通过有限元方法进行中震或大震下楼板应力分析，核心区域及其周边薄弱连接处板配筋率不小于0.35%双层双向配置，裙房顶层板配筋率不小于0.25%双层双向配置，施工图阶段根据分析结果对楼板应力较大区域（部分墙端支座区域、墙转角处）增设附加板筋满足承载力要求，保证在地震作用下楼板能有效传递水平荷载和有效协调所连接结构的变形。

（8）风荷载作用下受拉剪力墙竖向分布最小筋配筋率提高至0.6%。

三、结语

本工程为超限的高层建筑，存在高度超限及3项不规则项。结构设计针对超限的情况增加补充计算，并且对局部薄弱部位及重要部位的构件采取一定加强措施。从而很好地解决了超限问题，确保建筑物结构安全可靠，对解决超高层建筑结构的超限问题具有很好的参考意义。

参考文献：
[1]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[2]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S]

[3]GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S]
[4]潘浩鹏.对某超高层建筑结构超限设计的浅析[J].城市建设理论研究.2013,(18)