高层建筑结构超限设计分析

秦俊林

摘 要：近年来，我国建筑行业取得了较快的发展，建筑结构开始向多样化和复杂化的方向发展。人们在注重建筑实用性的同时，对建筑的外观也有了更高的要求。这就导致在高层建筑结构超限设计越来越普遍。这些超限的高层建筑结构设计，其是在设计时超出相关的技术标准和规范所规定的高度，其在结构上与传统结构具有较大的区别。关于这些超限高层建筑国家也做出了相关的规定，将超过B级高度建筑180米的最大适用高度的高层建筑都称为高层超限结构设计。文中从高层建筑超限结构设计与普遍高层建筑的区别入手，对高层建筑超限设计的主体因素进行了分析，并进一步对高层结构超限设计中主体问题的解决措施进行了具体的阐述。

关键词：高层建筑；结构；超限设计；主体因素；措施

前言

随着现代化建设开始向高层和超高层的方向发展，当前建筑结构的体型开始朝着复杂化和多样化的方向发展。人们对建筑结构的实用性和美观性更为关注，在这种情况下，高层建筑结构超限的项目不断增加，这也给设计增加了较大的难度。这类建筑不仅与国家现行规范的高度和结构都具有较大的差异，而且体型也具有不规则的特征，所以需要对该类建筑结构设计进行分析，从而有效的确保高层建筑结构超限设计的安全性。

1 高层建筑超限结构设计与普通高层建筑的区别

一是层数和高度的增加，竖向荷载也不断加大，墙、柱结构面积也随之相应的增加。

二是由于高度的增加，超限结构的水平荷载急剧增长，风力随着各层作用点高度的增加而不断加大，重力荷载代表值、各层作用点高度及构件截面刚度也会导致地震作用的加大，结构受力的主要思想因素来自于水平荷载。

三是随着高层建筑层数的增加，所累加的效应也会越来越明显。而且在这其中还会由于压缩变形差而导致节点附加弯矩、倾覆弯矩所产生附加轴力，这也是超限结构设计时不可忽视的重要因素。

四是层数的增加，导致需要调整的系数也加大，构件内力变形、位移值和位移比的控制难度都会有所增加，从而需要对其抗震等级进行提高。

2 高层建筑超限设计的主体因素

2.1 基于性能的抗震设计能否满足抗震性能目标

在高层建筑结构抗震设计中，通常分为小震、中震和大震作用下的抗震设计，计算分析方法也具有一定的区别。通常利用振型分解反应法或是弹性动力时程法来对小震作用进行计算分析；而中震则利用弹性计算和结构构件屈服判断分析法来对其抗震性能进行计算；在大震设计时，则利用静力弹塑性一Pushover推覆分析及动力弹塑性来对进行计算。利用这些计算方法可以有效的对各阶段所要实现的抗震目标进行判断，确保结构的安全性。

2.2 考虑可能的风载作用控制并验算风作用下舒适度

通常情况下在对抗震超限审查项目中并不包括风荷载作用。但对于高层超限结构工程来讲，由于其高度与正常高层建筑的高度超出较多，这就会导致风起到较大的控制作用。所以需要在高层超限结构中对风载进行必要的分析。在具体分析过程中，需要通过风洞试验的数据对超高层建筑受相邻超高层建筑物风扰的影响进行分析，根据其横风作用的大小来采取必要的控制措施。在对横风和顺风作用进行超限计算时，需要将两个方向的风压值都要与放大系数1.3相乘，从而计算出相应的位移和强度，从而进一步对可能起控制的横向风作用进行有效控制，确保在风作用下高层超限结构设计的最佳舒适度。

2.3 根据高层超限结构构件和刚度需求分析温差效应

目前高层结构采用的都为竖向构件筒体，桩截面和刚度都较大，这就导致就会导致在混凝土浇筑过程中楼盖梁板在水平方向上温差变形会有较大的约束力产生。从而导致相应约束力产生，即水平温差效应。所以在实际设计过程中需要对混凝土终凝时的温度差值所可能对结构带来的附加内力影响进行充分的考虑。

2.4 针对超限分析要考虑混凝土徐变收缩对结构的影响

混凝土自身固徐变收缩的特性，但钢结构则不存在这个问题，但当混凝土附着在钢结构上时，随着时间的持续，则会导致徐变变形的发生。同时作为超限高层建筑，由于其竖向构件高度较大，这就会导致其徐变变形累计数量较大，而且同时还会有收缩变形发生，在这两种叠加变形的作用下，会导致超高层建筑竖向构件后期的塑性变形达到较大的一个量级，导致其超出荷载直接发生弹性变形，从而对部分结构构件或是非结构构件带来较大的影响。所以在实际设计过程中，需要对这种徐变收缩进行量化分析，对其可能导致的不利影响进行评估，根据分析的结果来对是否需要采用相应的对策进行判断，确保超限高层建筑的质量。

3 高层结构超限设计中主体问题的解决措施

对于超限高层建筑，其对于抗震性能进行设计时，需要采用科学合理的设计方法从而对高层建筑结构在大、中、小三个地震级别的抗震性能进行具体的分析和判断，对于竖向荷载及风载的作用，则需要在设计和计算时确保所选择的方法的规范性。从而有效的确保结构构件的弹性，确保其在小需作用下结构具有良好的弹性和完好性，不会有损伤发生，使结构在小震中具有较好的抗震性能。

在对中震作用下结构的弹性进行计算时，需要利用地震反应谱曲线来对中震弹性进行计算，由于需要在计算中对各项系数进行确定，所以可以将荷载、材料及城市承载力调整等各项系数都取1.0为准，而在计算过程中可以不对地震作用下内力放大调整进行考虑，其标准值可以根据材料的强度来进行选取，以构件地震作用组合效应小于强度标准值计算的抗震承载力为标准，在这种情况下，则可以做到中震作用下，高层超限结构具有良好的不屈服性，具有较好的抗震性能。

竖向构件及与外框柱及内筒剪力墙面内相交的主要框架梁均不出现屈服，梁均不出现受剪屈服，在小震及屈服判别地震作用1时，所有梁不出现受弯屈服；在判别地震作用2及中震时，核心筒连梁仅出现程度较轻的屈服（主要表现为面筋配筋率略>2.5%），可判断为轻微的损伤；另，右侧的边框架梁在中震下也出现轻微屈服，经将梁宽度适当加大后，即可满足该梁中震不屈服。实际设计时，将按小震和中震两者的较大值对构件进行配筋，这样则能实现中震作用下结构“重要构件不屈服，其他构件部分允许受弯屈服，可修复使用”的第二阶段抗震性能水准。

对大震作用，则可以采用相应软件对结构进行静力弹塑性分析（Pushover）及用接口程序BEPTA进行模型的前处理和准备工作后通过分析软件对结构进行动力弹塑性分析。按弹塑性程序计算所反映的塑性发展程度来对构件以至整个结构进行相应的性能评价。

高层建筑超限结构设计，为了确保其安全性，在对其抗震进行超限审查时，还需要通过对风载、温差和混凝土徐变收缩可能带来的影响进行深入的分析，确保真正实施高层超限结构时其性能能够得到有效的保障。

4 结束语

高层建设超限结构设计，在设计过程中除了利用软件和模拟分析外，还需要对主体结构需要承受的荷载、风载和地震等作用进行综合考虑，对混凝土徐变收缩可能带来的诸多影响因素进行计算，从而更好的确保高层超限结构设计的质量。

参考文献

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