復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

　　【摘要】隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快及建筑技術(shù)的進(jìn)步，目前各地出現(xiàn)的復(fù)雜高層與超高層建筑不斷增多，極大滿足了人們對(duì)建筑的個(gè)性化造型和功能的需求‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 但與傳統(tǒng)的高層建筑相比，復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，要求也更高，難度更大，需要考慮的因素更多‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 文章結(jié)合筆者設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、類型、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等進(jìn)行深入探討，供廣大設(shè)計(jì)同行參考‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　【關(guān)鍵詞】復(fù)雜高層與超高層建筑; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　1工程概況

　　復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，必須結(jié)合工程項(xiàng)目的高度和規(guī)模、地質(zhì)條件、所在地區(qū)的抗需要求等情況，進(jìn)行深入分析和研究，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和要求，確定合適的結(jié)構(gòu)體系和類型，堅(jiān)持安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用為原則，設(shè)計(jì)出質(zhì)量安全可靠、造型美觀、功能齊全的復(fù)雜高層與超高層建筑物，

　　為市民提供舒適體驗(yàn)與審美體驗(yàn)，促進(jìn)城市有序發(fā)展。

　　某工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，總建筑面積27.98萬m2，地上由1座40層173.7米高的辦公樓塔樓(2A座)、2座43層140米高的公寓塔樓(2B、1A座)、3座30層100米高的住宅塔樓及3~4層的商業(yè)裙房組成; 地下為滿布3層地下室，其中地下1層局部為商業(yè)及設(shè)備用房，其它部分為車庫(kù)，地下2、3層為車庫(kù)。

　　受篇幅所限，主要介紹2A座超高層辦公塔樓，結(jié)構(gòu)高度為173.7m，地上40層，地下3層，其中地上4層為商業(yè)裙房，5層及以上各層為辦公，層高4.2m; 11層及26層為避難層，層高5.5m。 塔樓結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒，在14層以下框架柱設(shè)型鋼。

　　按《高規(guī)》第3.3.1條定義為B級(jí)高度結(jié)構(gòu)。 根據(jù)《高規(guī)》，本工程框架梁、柱抗震等級(jí)二級(jí)，剪力墻、連梁抗震等級(jí)二級(jí)。

　　根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，本工程抗震設(shè)防類別：住宅為丙類，集中商業(yè)為乙類。 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本加速度值為 0.05 g。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在小震作用下，按安評(píng)報(bào)告的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算。 本項(xiàng)目位于6度區(qū)，但安評(píng)報(bào)告小震地震影響系數(shù)超過了規(guī)范7度的水平，所以中震、大震作用按安評(píng)報(bào)告提供的地震動(dòng)參數(shù)取值，包括反應(yīng)譜和加速度峰值。

　　根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，變形計(jì)算取50年一遇的基本風(fēng)壓，ω0為0.75kN/m2。 根據(jù)《高規(guī)》，強(qiáng)度計(jì)算按1.1×ω0取值，地面粗糙度為C類。

　　2 結(jié)構(gòu)布置

　　3 超限類型及工程抗震性能目標(biāo)

　　(1) 根據(jù)《高規(guī)》表3.3.1-2，屬于B級(jí)高度高層建筑。

　　(2) 局部的穿層柱。

　　根據(jù)上述超限項(xiàng)檢查，該項(xiàng)目不規(guī)則項(xiàng)超過適用范圍較少，將結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)。

　　4 項(xiàng)目特點(diǎn)及設(shè)計(jì)處理

　　(1)結(jié)構(gòu)超高：本項(xiàng)目辦公塔樓為173.7m，地上40層，按《高規(guī)》第3.3.1條定義為B級(jí)高度結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)的高寬比為173.7/36.2=4.8，核心筒高寬比為173.7/12.2=14.2。

　　復(fù)雜高層和超高層建筑，建筑物高度超高，須結(jié)合建筑平面布局，選擇相應(yīng)合適的結(jié)構(gòu)體系，控制結(jié)構(gòu)層間位移，確保建筑物抗側(cè)能力，以保證建筑物的安全性和穩(wěn)定性，本塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。

　　復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力計(jì)算分析包括彈性計(jì)算、彈塑性分析計(jì)算，根據(jù)需求選擇合適的軟件進(jìn)行計(jì)算分析。 本項(xiàng)目采用了2 種結(jié)構(gòu)模型分析軟件，采用了YJK和ETABS進(jìn)行多遇地震，設(shè)防烈度地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，準(zhǔn)確分析各結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁、柱、墻的受力表現(xiàn)，滿足性能目標(biāo)。

　　根據(jù)豎向構(gòu)件的軸壓比及體系層間位移角指標(biāo)，框架柱截面從底部1400×1200到上部樓層分段收小，頂部樓層段為800×800; 核心筒外圍剪力墻厚度從底部700mm分段收進(jìn)至400mm; 標(biāo)準(zhǔn)層框架梁截面為500×800，主要構(gòu)件截面見表1。 風(fēng)荷載作用下本塔樓層間位移角為1/645(Y向風(fēng)荷載作用，24F)，地震作用下本塔樓層間位移角為1/772(Y向地震作用，28F)均小于規(guī)范限值1/608。 在滿足受力及位移角指標(biāo)需求的前提下分段收進(jìn)減小豎向構(gòu)件截面，既能減小結(jié)構(gòu)自重又能有效增加建筑使用面積。

　　(2)樓層開洞及核心筒調(diào)整。 本項(xiàng)目共設(shè)置了三個(gè)建筑避難層，分別為十二層、二十二層、三十二層。 建筑功能根據(jù)避難層分段，電梯也會(huì)相應(yīng)調(diào)整其分區(qū)。 核心筒剪力墻會(huì)根據(jù)建筑功能及房間布置，在分段處有收減調(diào)整。 為使產(chǎn)品更豐富，各標(biāo)準(zhǔn)層均有一柱跨樓板設(shè)置開洞形成通高空間，在低區(qū)和中區(qū)其開洞位置為左上、右上兩個(gè)角部柱跨; 在高區(qū)偶數(shù)層設(shè)置在核心筒右側(cè)柱跨，核心筒剪力墻因此進(jìn)行了收減。

　　(3)二層局部開大洞，外框柱為越層柱。 辦公塔樓二層入戶大堂處設(shè)置上空，為兩層10.2m的通高空間，在性能化設(shè)計(jì)計(jì)算分析時(shí)須重點(diǎn)關(guān)注越層柱的受力表現(xiàn)，加強(qiáng)箍筋配置，提高越層柱的抗剪能力。

　　(4)底部樓層框架柱設(shè)置型鋼。 從基礎(chǔ)頂至十六層樓板面框架柱設(shè)置了型鋼，為型鋼混凝土柱。 若不設(shè)置型鋼，則混凝土柱截面需做到1600×1600，柱截面過大影響建筑使用面積，對(duì)地下室停車效率有較大影響。 設(shè)置型鋼后，柱截面可控制在1400×1200，獲得更好的建筑效果和經(jīng)濟(jì)性。

　　5 罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析

　　5.1分析方法

　　彈塑性分析可分為靜力彈塑性分析(pushover)和動(dòng)力彈塑性分析，本工程采用基于隱式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法，具有完全的動(dòng)力時(shí)程特性。 計(jì)算時(shí)直接輸入地震波，考慮了幾何非線性“P-△”效應(yīng)，考慮了材料非線性，可準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的破壞情況。

　　5.2分析軟件

　　采用彈塑性性能軟件PERFORM 3D進(jìn)行分析，PERFORM 3D (Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structure)三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評(píng)價(jià)軟件，是一個(gè)致力于抗震設(shè)計(jì)的非線性軟件工具，通過使用以變形為基礎(chǔ)或者強(qiáng)度為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)來進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性分析，包括纖維截面的剪力墻單元。 PERFORM 3D軟件結(jié)合美國(guó)抗震規(guī)范ATC-40和FEMA-356或ATC-440自動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。 目前Perform 3D和Sap2000、Etabs同為美國(guó)CSI公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，在結(jié)構(gòu)彈塑性性能分析方面廣泛應(yīng)用。

　　5.3非線性地震反應(yīng)分析模型

　　模型單元包括混凝土梁，混凝土柱(包括斜柱)，剪力墻。 各單元通過共節(jié)點(diǎn)連接在一起，構(gòu)成整體模型。 采用剛性樓板假定，但局部大開洞部位采用彈性板，彈性板及開洞邊獨(dú)立的柱子節(jié)點(diǎn)不包括在剛性樓板范圍內(nèi)。

　　本工程應(yīng)采用動(dòng)力時(shí)程分析進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性計(jì)算，地震波由安評(píng)報(bào)告提供場(chǎng)地人工波; 天然波采用Ecentro天然波、Taft波，及KX波天然波輸入采用雙向同時(shí)輸入，加速度最大值主方向：次方向=1:0.85。

　　通過對(duì)梁彎矩鉸轉(zhuǎn)動(dòng)性能、梁抗剪性能、柱PMM鉸性能、柱剪力性能、剪力墻混凝土壓應(yīng)變、剪力墻鋼筋應(yīng)變性能的分析，構(gòu)件性能均能達(dá)到性能目標(biāo)。通過對(duì)二層局部開大洞口處樓板受彎、受剪、受壓、受拉分析，可得出承載力狀態(tài)均可滿足要求‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　建筑論文范例：建筑工程管理發(fā)展與創(chuàng)新

　　6 結(jié)論

　　復(fù)雜高層建筑和超高層結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)、抗風(fēng)和抗震的抗震性能、結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系、軟件選擇和計(jì)算的準(zhǔn)確性以及結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型選擇等，同時(shí)還要選擇合適的施工技術(shù)及抗震性能優(yōu)良的施工材料，提升建筑物的穩(wěn)定性和安全性，促進(jìn)目前建筑行業(yè)進(jìn)步與發(fā)展。

　　【參考文獻(xiàn)】

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　　作者：梁文華 李世勇

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