超限高层建筑结构设计实例分析

摘要：本文结合某超限高层建筑结构设计实例，对其基础和地下室结构设计、上部结构设计、结构超限情况和采取的主要措施进行了分析。

关键词：超限高层建筑 不规则建筑结构设计

1 工程概况

该工程地上6层建筑面积为21332m2，地下1层建筑面积为7843m2。采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构。结构平面底部长约150m收至顶层50m，宽约50m，结构主体高度约32.25m，高宽比较小。该建筑体形较长，且平面较不规则，建筑上部存在长悬臂和大跨度结构，最大悬臂长度为12.7m，最大跨度为33.6m，若要通过设置抗震缝将建筑分割成规则的区块，布置上较为困难。故本建筑主要通过加强抗侧力构件的刚度，加强平面联系，减小结构的绝对和相对变形量，来保证结构具有较好的抗震性能。

2 基础和地下室结构设计

本工程±0.000相当于绝对标高90.300m，室外地面相对标高约－0.5m。地下水设防水位相对标高为－2.5m。设一层地下室，部分地下室上方没有上部结构，上部结构层数及荷载不均匀，存在一定差异，地基基础设计考虑了地基承载力、控制差异沉降和地下水浮力等因素。地下室主体结构与下地下室的车道结构上设缝断开，通过变形缝连接。根据本工程的特点，主体结构采用桩－筏板基础，桩基采用高强预应力管桩。为减小环境影响，采用静压法沉桩。部分框架柱下存在抗压和抗浮两种工况，其中，部分抗浮为不利工况，按抗浮要求布置抗拔桩。桩采用500高强预应力管桩，主要桩型有效桩长14m，桩端进入第⑥层细砂层，单桩抗压承载力特征值为1400kN，单桩抗拔承载力特征值400kN。突出在整体结构外的下地下室的车道采用天然基础。

地下室桩基承台厚度主要为1400mm，除承台外的底板厚度为550mm，地下室顶板厚度为250mm(地下室按人防要求设计)。该建筑地下室的轮廓与地上下部楼层的轮廓基本相同，地下室利用地下室建筑隔墙和外墙位置，较地上楼层增加布置较多的剪力墙肢，地下一层的侧向刚度超过了底层的2倍，满足以地下室顶板作为结构底部嵌固端的条件，故上部结构采用地下室顶板作为结构底部嵌固端，柱、墙及顶板梁进行加强处理，地下一层柱配筋取对应上一层柱侧配筋的1.1倍，局部室内外高差处通过加高梁截面、加强地下室顶板配筋来保证水平力的有效传递。

3 上部结构设计

3．1 主要设计参数

本工程结构设计使用年限50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0.45s。按《建筑抗震设防分类标准》(GB50223—2008)，本建筑的抗震设防重要性类别为丙类。本工程体形较为复杂，基本风压按100年一遇的基本风压取为0.50kN/m2，地面粗糙度类别为C 类。

3．2 结构布置

本工程为高度约32.25m的6层结构层的高层办公楼，在结构体系的选择上，一般可供的选择有混凝土框架结构、混凝土框架－剪力墙结构、钢框架－混凝土剪力墙结构和钢框架结构(带支撑或不带支撑)。

本工程体形复杂，上部存在大跨度和长悬臂结构，该部分结构宜采用钢结构，大跨度和长悬臂结构宜布置剪力墙作为可靠支座。该结构局部楼层楼板缺失，造成凹凸和楼面开大洞情况，在这种情况下，为了避免竖向刚度突变，加强结构抗侧刚度，在进行结构布置时，需对上下贯通的竖向结构予以加强。整个结构楼梯间平面位置均匀、竖向连续，宜利用楼梯间周边布置剪力墙作为主抗侧力构件，一方面剪力墙平面布置均匀可使得各部分地震力主要由就近的剪力墙承担，减小各剪力墙在地震作用下的位移差，另一方面也可减小地震作用下位移的绝对量，减小由于楼板连接薄弱带来的不利影响。若整个结构采用钢框架－混凝土剪力墙结构，则造价较高，故本结构采用混凝土梁框架－剪力墙结构体系作为抗侧力体系，对于大跨度和长悬臂结构部分采用钢结构。图1为⑨轴结构立面布置图。

为加强结构刚度和便于与大跨度、长悬臂钢结构连接处埋置型钢梁，剪力墙厚取为500mm，剪力墙与钢结构连接处设置800mm×800mm角柱，并埋置型钢。

3．3 结构超限情况和采取的主要措施

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，该高层建筑规则性分析如下:

(1) 扭转不规则:计算中在地震作用下，部分楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比大于该楼层平均值的1.2倍(最大为1.32) ，属扭转不规则。

(2) 局部楼层楼板不连续:局部楼层楼板缺失，造成楼面开大洞情况，使有效楼板宽度与该层楼板典型宽度之比小于50%，但整个结构的结构主抗侧力构件剪力墙布置平面位置均匀、竖向连续。本建筑五层、六层结构平面部分为室内空间，部分为室外屋面，两者存在高差，高差分别为1450mm和1250mm，大于600mm，为局部错层结构，也是属于楼板不连续的情况。

( 3) 尺寸突变: 五层、六层缩进大于下部结构尺寸的25%。六层外挑大于10%和4m，结构外挑长度约为8.4m。但结构的结构主抗侧力构件剪力墙布置竖向连续，主抗侧力构件无外挑。

(4) 承载力突变: 相邻楼层受剪承载力变化大于80%，五层、六层抗剪承载力之比为0.68。五层、六层作为主抗侧力构件的剪力墙，其抗剪承载力为保持连续，并无较大变化，因为顶层增加布置长悬臂和大跨度的钢结构桁架，钢桁架的杆件致其计算的顶层抗剪承载力增加较多，是抗剪承载力变化的一种特殊情况。

因此，本工程为高度较低的A级高度高层建筑，包含平面不规则和竖向不规则，属于特别不规则的超限高层结构，按要求进行了抗震设防专项审查。

对于该超限高层建筑，主要采取了以下优化布置和加强措施:

(1) 结构布置上尽量做到抗侧力构件分布均匀对称，使结构刚心和质心尽量一致，并满足刚度要求。现偶然偏心工况下水平位移比最大为1.32，以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比不大于0.66。

(2) 针对该建筑局部楼层的楼板不连续的情况，对上下贯通的竖向结构予以加强，特别是加强布置作为主抗侧力构件的剪力墙，剪力墙上下贯通，剪力墙核心筒承担80%以上的倾覆弯矩和70%以上的楼层剪力，结构竖向刚度无突变。

针对楼板缺失、竖向构件越层的情况，在结构整体计算分析时建立弹性楼板模型，不考虑穿层处楼板对穿层柱、墙的约束，按真实情况建立柱、墙的计算长度系数和邻近楼层结构的相互关系。加强对楼板的应力分析，并双层双向配筋，连接薄弱处单层配筋率不小于0．6%，以提高平面刚度。连接薄弱的楼板进行中震分析，其满足“中震弹性”的要求，并根据分析结果对应力较大部位(主要集中在洞口角部) 采取集中配置斜向钢筋，根据大震下楼板应力计算，局部连接薄弱处通过进一步适当加厚和加强配筋，以保证大震下也不破坏。

(3) 本结构存在局部错层，通过加高梁截面(梁高涵盖板错开的差)、柱箍筋全高加密等措施，保证水平力的有效传递，按照错层建立模型进行计算，错层柱箍筋全高加密。

(4) 本结构五层、六层缩进大于下部结构尺寸的25%，结构六层外挑大于10%和4m，虽然结构主抗侧力构件剪力墙布置竖向连续，主抗侧力构件无外挑、无承载力突变，结构没有刚度突变，但六层由于布置钢桁架，存在承载力突变的特殊情况，故采取加强措施，将除顶层外的各楼层强制指定为薄弱层进行设计加强，地震剪力乘以1.15的增大系数，支撑顶部钢结构的结构中部四个核心筒剪力墙满足“中震不屈服”承载力要求。

(5) 按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)，设防烈度7 度(0.15g)，场地土类别为Ⅲ类，结构的抗震构造措施宜按8度采用。考虑到本工程虽然总高度不高，且高宽比较小(＜1)，但存在不规则情况，故本工程框架和剪力墙除了抗震构造措施按照8度采用外，其内力调整也按照8度采用，在结构计算中将抗震等级在原7度基础上提高1 度采用，剪力墙抗震等级由二级提高到一级，框架抗震等级由三级提高到二级。严格控制竖向构件轴压比，剪力墙轴压比不大于0.3，框架柱轴压比不大于0.75，加强延性和抗剪承载力。

(6) 根据建筑形体的需要，本建筑存在多处长悬臂和大跨度结构，此部分结构结合建筑布置采用钢桁架的形式，计算上补充采用ETABS程序进行细部分析，考虑竖向地震作用，钢结构主要受力构件应力比一般控制在0.85以内，严格按规范要求控制变形。长悬臂和大跨度钢桁架等主要构件满足“中震不屈服”承载力要求，长悬臂和大跨度钢桁架与核心筒剪力墙的连接节点满足“中震弹性”承载力要求。

(7) 计算方面，主要采用ETABS进行分析。分析时采用CQC振型效应组合方式，考虑扭转耦联效应，同时考虑偶然偏心的影响。另外，在振型分解反应谱法计算的基础上进行了弹性时程分析，就计算所得结构薄弱部位进行加强。用PUSH程序进行了静力弹塑性分析，结果满足规范要求，且大震下位移角小于规范限值较多(约1/386)，结构具有较好的抗震性能。考虑到结构局部存在钢结构，分别按照0.05和0.04的阻尼比进行结构计算，根据0.04阻尼比的计算结果对构件设计进行一定的加强。

3.4 主要计算结果

3.4.1 振型分解反应谱法

1) SATWE 和PMSAP计算结果采用CQC 振型效应组合方式，考虑扭转耦联效应，同时考虑偶然偏心的影响。多遇地震和风荷载作用下的计算结果显示是两种计算程序的结果基本规律一致，相互较符合，且符合规范的有关规定。

2) ETABS计算结果

为考察大台阶和错层对结构整体计算结果的影响，采用ETABS建立两个对比模型进行对比计算: 模型EA按照结构真实情况，建立大台阶斜梁和错层实际标高; 模型EB将大台阶和错层归并至相近楼层。

通过计算结果显示，由于两个模型作为主抗侧力构件的剪力墙布置一致，承担了绝大部分的倾覆弯矩和基底剪力，两个EATBS模型的计算结果基本一致，与上述SATWE 和PMSAP 的计算结果也基本一致，且符合规范有关规定。

虽然如前所述，两个模型整体信息计算结果基本一致，但由于大台阶和错层的存在，对大台阶处及邻近一跨局部构件的内力影响较大，施工图设计时将两个模型对比，按照包络进行设计（图2）

3.4.2 弹性时程分析

在振型分解反应谱法计算的基础上进行了弹性时程分析。弹性时程分析选用一条安评报告提供的人工地震波RH1－AP和Ⅲ类场地上的实测地震波TH1TG045波，TH2TG045波。规范要求设防烈度7度( 0.15g)时，多遇地震时程分析采用加速度时程曲线的最大值为55cm/s2。时程分析法中步长取0.02s，阻尼比0.05。

结构位移基本连续，结果满足单条地震波计算的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算值65%，以及多条时程曲线计算的结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算值80%的规定。总体而言，时程分析计算结果与反应谱法计算结果基本吻合，满足规范有关规定。

3.4.3 静力弹塑性分析

用静力弹塑性分析PUSH验算了在罕遇地震作用下的楼层位移。侧推荷载类型为倒三角形，基底剪力与总重量的比值为1。经过计算分析，其罕遇地震下的层间位移角X向为1/386，Y向为1/579，均小于框架－核心筒结构的限值1/100，满足规范的有关要求，且数值均较小。在结构设计时，针对计算反应的结构薄弱部位进行加强。

3．5 主要节点设计

3.5.1 钢桁架与混凝土剪力墙连接节点

按本工程的抗震性能目标，长悬臂和大跨度钢桁架与核心筒剪力墙的连接节点满足“中震弹性”承载力要求，按此要求提取支座反力进行设计。对于受拉力较大的桁架上弦节点，剪力墙在上弦平面内通长埋置型钢与上弦节点相连。

3．5．2 剪力墙角部埋置钢骨与钢筋混凝土梁连接节点剪力墙角部埋置钢骨与钢筋混凝土梁连接节点，本工程采用的形式为梁中部分主筋从柱翼缘侧边通过，在柱钢骨腹板中开孔贯通，部分主筋直接和焊接在钢骨柱上的连接套筒连接，在套筒水平位置处，在柱钢骨内设置加劲肋。连接套筒与钢骨柱的焊接要求在工厂完成。该连接方式的优点在于焊接在工厂完成，现场只需将钢筋拧进套筒，现场工作量小且质量有保证，经济性也较好，且避免了采用短钢梁连接方式所需要的大量现场焊接。

4 结束语

该建筑结构形式在抗震性能、建筑使用功能和经济性上具有一定的优势。本工程采用基于性能的抗震设计方法，进行小震弹性计算、中震不屈服及中震弹性构件验算以及罕遇地震下的弹塑性分析，并结合结构超限情况采取相应的加强措施，使结构具有良好的抗震性能。

作者简介：陈玮（1980～），男，汉族，籍贯福建省建瓯市，工学士学位，现就职于中国航天建筑设计研究院（集团）深圳分院，研究方向结构设计

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。