谈超限高层结构设计

杨 福 平

(太原市建筑设计研究院，山西 太原 030002)



谈超限高层结构设计

杨 福 平

(太原市建筑设计研究院，山西 太原 030002)

结合工程实例，分析了超限高层结构设计中需采取的加强措施，从设防目标、抗震性能设计、抗震计算等方面，阐述了超高层结构设计的基本原则，并总结了设计中的注意事项，旨在保证建筑结构的安全性。

超限高层，结构设计，抗震性能，剪力墙

近年来随着太原市经济的快速发展，从2012年以来，我市建起了不少超高超限的建筑，如我院设计的太原湖滨国际广场(高208 m)、茂业天地(高216.1 m)、万达广场(高178.4 m)等超高层建筑。无论是从它的建筑消防设计还是结构的抗震设计以及机电专业设计，都具有一定的复杂性、特殊性并引起大家的关注，依据国家建筑结构设计规范，参考山西省部分超限建筑工程送审报告，下面就我院设计的几项工程的结构设计案例进行了归纳总结，供大家参考，不妥之处请指正。

1 工程案例

1.1 茂业天地办公楼

1)工程概况。该工程由茂业置业房地产公司投资兴建，位于太原市体育路与亲贤北街交叉路口处。占地面积140.157亩，总建筑面积约642 278.43 m2，地下2层，地面以上由1幢高层酒店和5层裙房组成，高层办公楼与其裙楼间设有抗震缝，缝宽按中震作用下的位移计算确定为200 mm,结构从地面以上完全断开，形成各自独立的结构单元。超高层办公楼的总高度为209.8 m(从室外地面至大屋面高度)，地下2层，地上52层，标准层层高为3.8 m，20层，38层设置避难层，避难层层高为5.5 m。设计使用年限为50年。高层部分面积为10 000 m2，采用钢筋混凝土框架—核心筒结构，基础采用钢筋混凝土后压浆灌注桩+承台梁或筏板基础。建筑结构的安全等级为二级。2)超限情况。按照GB 50011—2010建筑抗震设计规范的有关规定，该工程高度209.8 m,属于B级高度超限；1层顶楼板开洞面积大于30%的属于开洞超限；扭转位移比大于1.2，属于扭转不规则超限。3)结构设计采取的加强措施。根据以上的超限情况在结构设计中采取以下措施：a.针对B级高度超限，加强5层顶部及突出屋面电梯机房的竖向构件延性，配筋量比计算提高10%；b.对底部加强部位为4层(高于1/10×H=20.8 m)；c.框架和筒体按一级抗震构造措施处理；d.轴压比控制：对剪力墙在底部加强部位控制在0.45；e.其他构件构造配筋加大；f.对于楼板进行了工况分析，对内力较大的区域采取了局部构造加强。

1.2 万达广场商业写字楼

1)工程概况。该工程由太原万达广场有限公司投资兴建，位于太原市解放路，与西二巷相邻，占地为94.59亩，总建筑面积为385 876 m2(地上288 876 m2，地下97 000 m2)，超限高层办公楼建筑面积约为15.5万m2。建筑总高度为178.4 m，为B级超高层建筑，裙房总高度为26.10 m。该项目为地下2层(主要功能为车库)，地面以上由2幢42层超高写字楼和5层商业裙房组成。裙楼在±0.000以下相连为一体，在±0.000以上设置有抗震缝，缝宽为200 mm,形成各自独立的结构单元。建筑结构的安全等级是二级。

2)超限条款。按照GB 50011—2010建筑抗震设计规范以及《山西省抗震设防超限高层建筑工程的工程界定》的有关规定，该项工程高度为178.4 m，超B级高度要求，该项工程2层开洞率大于30%，属于一项不规则超限。

3)结构设计采取的加强措施。a.底部加强部位高度：按高规7.1.4条可取墙肢总高度的1/10和底部2层的较大值。底部加强部位为5层楼面以下(高于1/10×H=17.8 m),6层，7层为过渡层；b.加强顶部5层框架柱，配筋量比计算提高10%；c.抗震等级：底部框架和筒体按特一级抗震构造措施处理；d.轴压比控制：对剪力墙在底部加强部位控制在0.5，对框架柱在底部加强部位控制在0.7；e.剪力墙轴压比超过0.25时，应设置边缘构件；f.加强各种构造配筋；g.对于楼板进行了工况分析，对内力较大的区域采取了局部构造加强，采用双向配筋，按中震不屈服应力分析结果对配筋进行调整。

1.3 中铁三局科技研发中心

1)工程概况。该项目位于太原市迎泽大街新建路西口南角，总建筑面积为67 740.54 m2，地下2层，地上37层。地上结构总高度为170 m。塔楼采用型钢混凝土—钢筋混凝土核心筒+伸臂桁架结构体系。结构安全等级均为二级，结构重要性系数为1.0，第12层，25层为加强层，整楼层设置伸臂桁架及角部悬臂桁架。

2)超限条款。建筑总高度为170 m，为超B级高度；首层顶板开洞约为30.5%；第36层顶板开洞约35.6%。

3)结构设计采取的加强措施。在设计中除了在整楼层增加设置伸臂桁架及角部悬臂桁架外，其他结构采取的加强措施基本思路和做法同以上的两个案例，在此就不再重复叙述。

2 超高层结构设计的基本原则

2.1 设防目标及方法

我国GBJ 11—89建筑抗震设计规范的设防目标及设计方法为“三水准，两阶段”，三水准即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

两阶段：第一阶段为弹性设计阶段。即通过采用振型分解弹性反应谱理论去求地震作用标准值和相应的地震作用效应(其中包括内力和变形)，并按照建筑结构可靠度设计的基本原则和方法，考虑概念设计中要求的各种放大系数进行构件的抗震承载力计算，同时采用各种抗震措施(包括抗震构造措施)，以求得能满足第二水准(中震)和第三水准(大震)的相关要求。第二阶段是弹塑性设计阶段。要求进行结构在大震作用下的弹塑性变形验算。这时结构薄弱部位的最大层间位移角应满足要求。

2.2 结构抗震性能设计的基本原则

使所有的工程结构在预定的使用年限内，在不同强度水平(或称强度水准)的地震作用下，达到预定的不同的性能目标，就是以抗震性能目标为基准的结构抗震性能设计。

主要特点就是：使结构抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主(或设计者)可以根据建筑结构的使用年限、工程所在地区的设防烈度、场地条件、房屋高度、不规则的部位和程度，以及业主的经济实力、房屋建筑的重要性等去选择所需要的性能目标，并对建筑结构的抗震性能目标做深入的分析，保证超限建筑工程的实现。

2.3 抗震设计计算应选择合理的计算软件

1)按照规定对超高层结构计算时，应采用两个或两个以上经住房和城乡建设部批准认定的计算机软件进行整体内力和位移分析计算。国内目前可采用的有SATWE，SPA2000，盈建科，MIDAS/GEN，ETABS，ABAQUS等。我们在使用时，一定把软件所需要的技术参数搞清楚，有些软件还需要二次开发后才能用，如ABAQUS软件是全球计算分析软件，功能强大，但不是万能的，如果我们所计算的建筑工程与其假设条件不符，结果存在很大风险。2)采用弹性动力时程分析法作补充计算，并且注意弹性动力时程分析时应严格按照高规和抗规的有关规定执行。3)弹塑性计算的分析应以混凝土构件的实际配筋、型钢和钢构件的实际截面规格为基础，不应以估算的配筋和钢构件代替。4)弹塑性时程分析宜采用双向或三向地震输入，计算结果宜取多组波计算结果的包络值。

2.4 加强抗震措施、抗震构造措施的设计

1)要保证多道防线的需求。要搞清楚框架与墙体、筒体双重抗侧力的各类结构中，框架部分承担的地震剪力的比例，在规范规定的基础上适当增加。但应注意框架所承担的地震剪力或者框架所承担的倾覆弯矩又不宜过大，以避免出现框架和墙体、筒体一起形成第一道防线。2)对于超高时，应明确竖向不规则和水平向不规则的程度。3)当楼板局部开洞大于规范规定的30%要求时，应对楼板进行工况分析，对内力较大的区域采取了局部构造加强，采用双向配筋，按中震不屈服应力分析结果对配筋进行调整。4)主楼与裙房间应设置抗震缝，且缝宽应适当加大。5)对于转换层应严格控制上下刚度比；墙体通过次梁转换和柱顶墙体开洞，应有针对性的加强措施。6)水平加强层的设计数量、位置、结构形式，应认真分析比较；伸臂的构件内力计算宜采用弹性膜楼板假设，上下弦杆应贯通核心筒墙体，墙体在伸臂斜腹杆的节点处应采取措施避免应力集中导致破坏。7)多塔、连体、错层等复杂体型的结构，应尽量减少不规则的类型和不规则的程度；应注意分别采取相应的加强措施。8)对于出屋面结构和装饰结构自身较高或体型相对复杂时，应参与整体结构分析，材料不同时还需适当考虑阻尼比不同的影响，尤其是出屋顶较高的混凝土或钢构架，应注意其在地震作用下的鞭鞘效应的影响。

3 超限高层的结构设计中应注意的内容和要点

3.1 技术参数

对计算结果应严格按照高规和抗规的有关规定进行认真分析比对，如轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期比、刚重比、有效质量比、受剪承载力比、楼层质量比，同时应关注地震影响系数、场地卓越周期、地震波、楼层最小剪力系数等。

3.2 框架剪力的分担率

框架—剪力墙结构，框架—核心筒结构，均属双重抗侧力结构体系，第一道防线剪力墙(筒体)，第二道防线框架，在强震作用下墙筒可能损坏，内力重分布，框架会承担较大地震作用，建筑物越高，越不易满足要求，经力学分析在地震作用下，框架分担剪力为下小上大，应加以重视，超限高层建筑中，框架部分按刚度分配到楼层剪力标准值的最大值，不宜小于基底剪力的10%，常难以满足，故应增大梁的高度和设置刚域而提高框架剪力占的比例，考虑当前我国经济条件，框筒结构可适当放宽。

总之，随着超限高层设计的不断增多，抗震计算、性能化设计及抗震构造措施也需随我们的工程实践不断的总结经验，才能使我们的每一项工程项目设计的更加安全、经济和合理，减少遗憾。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] 晋建质字[2011]，山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定[Z].

On structural design for super-high-rise buildings

Yang Fuping

(Taiyuan Architectural Design and Research Institute, Taiyuan 030002, China)

Combining with the engineering cases, the paper analyzes the improvement measures in the design for the super-high-rise buildings, illustrates the basic principles for the super-high-rise building from the fortification aims, seismic performance and design, seismic calculation, and sums up the precautions in the design, so as to ensure the safety of the architectural structures.

super-high-rise building, structural design, seismic performance, shearing wall

1009-6825(2016)30-0063-02

2016-08-17

杨福平(1960- )，男，工程师

TU973

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