某超高层建筑结构超限设计

张祎

【摘要】：目前超高层建筑设计中的超限问题越来越多。本文通过应用两套结构分析软件SATWE和ETABS，对某超限高层建筑进行了结构设计和分析，计算出了相关结果，并将结果与新修订的规范：《高层建筑混凝土结构技术规程》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中的要求进行了对比，确保了结构的安全与可靠。

【关键字】：超限高层建筑；结构分析；计算；设计

引言

由于社会发展的需要，当前建筑结构的体型日趋复杂化和多样化。人们在注重建筑的实用功能的同时也越来越注重其美观和精神功能。因此，超高层建筑结构超限的项目越来越多，其设计的难度也越来越大。超高层建筑结构超限是指超出了国家现行规范及规程所规定的适用高度和适用结构类型以及体型特别不规则的建筑工程，从而根据有关规范规程应进行抗震专项审查的高层建筑。综合而言，分析研究这类建筑的结构设计具有很实际的意义。

工程概况

整个建筑由一栋36层高的超高层办公大楼(主楼)和十三层办公楼(附楼)组成，设四层地下室，主楼和附楼的地下室部分连成一个整体，形成大底盘地下室。总建筑面积约10万m2。工程主体建筑主要屋面标高160m，女儿墙顶标高177m。平面为正方形，边长43.9m。地下4层，地上(建筑)36层，地下一层层高5.6m，地下二～四层层高5.0m，首层层高4.7m，1A～4层层高4.5m，其他层层高4.2m，第13、30层为避难层,层高5.5 m。1～5层为大堂空间，中庭局部高有26.9m、13.5m、9.2m，6～36层为办公，地上建筑面积约6万m2，地下建筑面积约2万m2，主要用于停车，部分为设备用房。主附楼在地面以上通过抗震缝分开，形成独立结构单元，其中主楼属超限高层建筑，需进行超限抗震设防审查。

设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，结构重要性系数取γ0=1.0。抗震设防类别为乙类，烈度为七度，设计地震分组为第一组，基本加速度值为0.10g。项目基础设计等级为甲级。计算风荷载50年重现期的基本风压为ω0=0.75 KN/m2(位移控制基本风压 )，100年重现期的基本风压ω0=0.90 KN/m2(承载力计算基本风压)，风荷载体型系数取1.4。

超限类型及抗震性能目标

3.1超限类型

(1) 主楼从室外地面到主要屋面高度160m，核心筒高度177m，结构计算高度177m，属于B级高度钢筋混凝土高层高度范围(高度超限)。

(2) 由于建筑功能要求，主楼南侧六根框架柱跨越五个层高，其余框架柱跨越三个层高，分别达到26.9m和13.5m其间无梁板联系。二~五层楼板开洞面积＞30%，属于平面不规则。

(3) X向扭转位移比大于1.2,小于1.4，属于扭转不规则。

3.2抗震性能目标

本工程高度超限高层建筑，采用基于性能的抗震设计方法，设定本结构体系各部分的抗震性能目标，详见表1：

计算结果与分析

4.1 结构整体分析与计算结果

根据《建筑抗震设防分类标准》及《高层建筑混凝土结构技术规程》，主楼拟采用型钢混凝土组合柱框架---混凝土核心筒结构体系，结构计算高度177m(从室外地面算起)，结构平面尺寸43.9m×43.9m，结构为地上39层、地下4层，第13、30层为避难层，其他均为办公用途。从地面算起，建筑物的高宽比为160/43.9=3.65＜6；核心筒平面尺寸是21.3m×20.4m,则核心筒的高宽比为160/20.4=7.84＜12。主楼楼面有较大开洞，尤其主楼二~六层（中庭处）洞口贯通和筒外无楼板，属于平面不规则中的楼板局部不连续，且二层层高较高，产生刚度突变，属于竖向不规则中的侧向刚度不规则。

根据建筑功能要求，考虑建造成本因素，本工程采用现浇钢筋混凝土梁板结构体系，钢筋混凝土核心筒为主要抗侧力结构体系，外框柱为型钢混凝土柱，核心筒角部剪力墙中加型钢。由于建筑物的高宽比和核心筒的高宽比都远小于规范限值。因此,本工程不设置加强层。

按照《高层建筑混凝土结构技术规程》要求，对于体型不规则、结构设计复杂的高层建筑，在进行整体计算分析时应至少采用两个不同力学模型的结构分析软件。因此，设计采用SATWE和ETABS软件对现阶段的建筑结构进行计算、分析和对比：

(1)第一种是国内应用比较广泛的《高层建筑结构空间有限元分析与结构设计》SATWE（2008版），该程序采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等构件，用在壳单元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，对于楼板，采用楼板平面内无限刚度来计算结构的侧向刚度，采用弹性楼板来计算结构的极限承载力。

(2)第二种是国际上应用较为广泛的《集成化建筑结构分析于设计软件系统》ETABS（V9），该程程序提供了丰富的有限元结构分析的单元库供结构工程师选用三维框架单元、三维壳单元、弹簧单元、连接单元等，可以方便地对结构进行静力分析、动力分析、线性和非线性分析。

结构整体计算结果详见表2：

对比计算结果表明：（1）Etabs计算结果与Satwe计算结果基本吻合，说明结构体系、结构布置和构件尺寸基本合理；（2）安评地震作用比规范地震作用产生的基底剪力大，设计时按安评地震作用考虑；（3）地震作用下，剪重比不满足规范要求，需要按规范值调整。

4.2 周期与振型

4.2.1周期

表3为采用刚性楼板假定计算得到的结构前6个周期。对比结果表明，两者基本一致，误差在5%以内，满足工程精度要求。

振型号

4.2.2振型

从主要振型图中可以看出，由于平面均匀对称，结构高宽比比较大的特点，使得低阶振型以平动为主，第3振型以扭转为主。第3振型见图1，图2：

图1SATWE第3振型图 图2ETABS第3振型图

4.3其他计算结果分析

(1) 根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2002），结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移的比值，不宜大于1.2，不应大于1.4。本工程SATWE和ETABS的计算结果表明，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移的比值均小于1.4。

(2) 根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2002），楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%和其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，经验算，本工程该项指标符合规范要求。

(3) 根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2002B），级高度高层建筑楼层抗侧力结构的受剪承载力不应小于上一层受剪承载力的的75%，本工程各层的受剪承载力均大于其上一层的75%，满足规范要求。

(4) 根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2002），本工程最大楼层位移与层高的比值的限值为1/650，本工程计算结果满足规范要求。

(5) 根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2002），特一级抗震等级剪力墙底部加强部位，其重力荷载代表值下墙肢轴压比不宜超过0.5。经验算，本工程剪力墙满足此要求。

5. 小结

依据相关规范、规程的要求进行了两个不同力学模型的程序计算的对比，其中周期、振型、位移、剪重比、受剪承载力、剪力墙等主要参数均满足相关规范要求。

参考文献

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)第一版.中国建筑工业出版社.2002年.

[2] 广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)补充规定第一版．中国建筑工业出版社.2005年.

[3] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质[2003]46号).中华人民共和国建设部.2003年.

[4] 复杂高层建筑结构设计第一版.中国建筑工业出版社.2005年.

[5] 陈建斌,罗志远等.某超限高层建筑结构整体设计分析[J].建筑结构.2005,3.

[6] 李国胜.简明高层钢筋混凝土结构设计手册(第三版).中国建筑工业出版社.2011,09.

[7] 傅学怡.实用高层建筑结构设计(第二版).中国建筑工业出版社.2010,08.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。