超限高层建筑结构设计分析

贾文沛 谢龙龙

湖南省建筑科学研究院 湖南 长沙 410000

引言

建筑层数超过十层的就算做高层建筑，其中超限高层建筑包括在内。事实上超限高层建筑的高度和层数并没有统一的规定，而是根据建筑结构类型来确定。只要建筑物算作超限高层，就表明对建筑物的结构形式和施工质量提出更高的要求[1]。结构设计方面一定要选择合适的体系选型，确保结构设计的可行性、科学性和安全性。

1 超限高层建筑结构体系分析

1.1 框架结构

采用框架结构的超限高层建筑具有平面布置灵活轻便、受力体系简单、施工过程快捷等多方面的优势。采用框架结构的建筑物两柱之间的距离控制在7m左右，如果使用预应力混凝土结构则需要控制两柱距离为15m以上。结构设计要满足抗震要求和风荷载，此外还需要注意非结构构件填充墙，在框架结构产生较大变形时很容易导致损坏。

1.2 剪力墙结构

剪力墙结构承载力良好，在抗震强度和风荷载两方面具有相对优势。但是其缺点是自重较大、同时延展性不足，不能很好解决水平荷载问题。同时剪力墙结构的相邻墙体间距需控制在5m左右，大大减小了建筑的使用空间。

1.3 框架-剪力墙结构、框架-核心筒体系结构

框架-剪力墙结构综合了上述两种结构的优势，既具有比较好的延展性，可以灵活进行设计和布置；同时还继承了剪力墙具有的高抗侧刚度。该结构利用了楼层梁板进行框架和剪力墙的相互连接，能够同时受力，所以结构整体的侧移幅度不大。

框架-核心筒体系结构和框架-剪力墙结构比较类似，受力特征二者也几乎相同。核心筒主要是利用电梯井、楼梯间、运输管道的那个构成一个混凝土的筒柱。其中的框架部分主要是以核心筒为中心，逐渐向外部延伸。这种结构使用空间更多，构造灵活，适用于商务建筑如写字楼等。同时因筒体封闭使其具有很强的抗弯、抗扭刚度，超限高层建筑采用这种结构抗风、抗震性能稳定。

2 超限高层建筑结构设计关键点

2.1 水平荷载

在对具体建筑进行结构设计的同时要注意计算其水平荷载和垂直荷载。竖构件注意水平荷载形成的轴力和建筑高度的两次方成正比。同时建筑高度确定之后，竖荷载就保持不变，但是水平荷载会随着结构变化而产生变化，施工人员必须注意。

2.2 结构延性

上文提及，超限高层的垂直高度很大，在结构上和其他诸多建筑相比具有更好的柔性。这要求建筑整体的变形能力要很好，不能具备过强的刚度。比如在发生地震时，建筑物开始剧烈摇晃，进入塑性变形阶段，科学合理的设计能够使得超限高层建筑不倾覆，最大程度保障建筑内人员的安全。

3 超限高层建筑结构设计注意事项

3.1 地基和基础部分

很多超限高层的建设只根据设计图纸或基础资料就盲目动工，忽视了实地考察的重要性，缺少了实际、科学的报告，这样无法确保地基和建筑基础的质量。所以在进行建筑结构设计之前应当预先实地考察，结合实地的地质情况，综合考虑各方面因素后在开展结构设计。

3.2 现浇钢筋混凝土楼板产生裂缝

一方面，无论采用哪种结构形式，对于现浇钢筋混凝土楼板的受力分析都不够完备，通常局限于楼板平面上的应力变化，缺少了对于板端嵌固端节点等部位的考虑；另一方面，在实际的楼板钢筋配置过程中，工作人员实际经验不足，导致受力分析和实际情况有较大出入，造成混凝土楼板的抗拉能力不足，所以会产生裂缝问题。

3.3 转换结构设计

很多超限高层建筑选择梁式转换，上部框架正好处于转换梁的上部，因为截面很小，所以梁柱发生微小位移都会对整体转换结构造成很大影响，所以施工时要注意对转换梁挠度的控制。此外还需要增强转换框架的抗震承载力，据有关抗震专家分析，转换梁截面设置劲性钢骨能够有效增强抗震能力到特一级，如图1所示：

4 实例工程分析

本文将要分析的案例为上海市世博园区某超限高层的建筑结构。首先分析建筑主体结构的选型方案，之后介绍一些针对该超限建筑的一些不规则面的设计和计算分析，让整栋建筑的设计方案科学、合理、可行。

4.1 项目概况

本建筑选址世博园区，主要功能为写字办公楼，主楼合计29层，裙楼4层，结构高度合计150m，地上建筑面积合计8万m2。该建筑物的抗震等级按照7级标准设计建设，基本风压为0.55kN/m2。结合建设地点的地质条件，采用钻孔灌注桩进行建设[2]。

4.2 结构选型

本工程选用框架-核心筒结构体系，因为本工程对应的是100到200m级别的超限建筑，结合建筑中常用的集中交通核模式，同时充分考虑整体结构的抗侧刚度和建设单位的成本控制要求，最终选定结构选型。其中核心筒作为抗侧力的首要工具，承担起了建筑中绝大部分的水平荷载；框架部分同时具有一定的抗侧力作用，不过主要用于承担超限建筑中的竖向荷载。经过电脑模拟软件设计和分析显示，采用框架-核心筒结构的本建筑在满足使用和成本控制的前提下，具有良好的结构稳定性。本工程中典型楼层平面图如图2所示：

图2 本工程中典型楼层平面设计图

4.3 部分超限控制措施浅析

本建筑经判定属于超限建筑，在设计中采用多种软件进行结构指标的控制，超限计算控制措施主要有以下五大方面构成：

计算模型说明：地震作用按照两个主轴方向输入，同时需要考虑到5%的偶然偏心地震的可能性，同时测算在该类型地震发生时的扭转影响，分析采用振型分解反应谱法和弹性时程法进行。

小震弹性反应谱分析：在地震规模较小时结构处于弹性状态，部件承载力都处于设计范围内。主计算程序为盈建科YJK1.8，用于结构的主要指标控制和构件的配筋计算；同时采用副计算程序MIDAS Building对主程序的计算结构进行审核和复查工作。

小震弹性时程分析：为了让超限建筑保持良好的抗震能力，本工程采用弹性时程分析进行地震模拟计算。根据场地类型选用不同相应的地震波，对结构进行地震下的弹性时程分析。设计时地震作用取7条时程曲线的计算平均值和振型分解反应谱法计算结构的最大值。

性能设计相关计算：依据相应的性能目标，本工程进行了中震弹性、大震不屈服等弹性计算，确保建筑中的有关构建能够满足设计要求。

弹塑性静力分析：本工程同时进行了罕见大地震作用下的薄弱层塑性变形测量，采用动力弹塑性时程分析法演算塔楼在遭遇罕见地震情况下的结构受力变形情况。

5 结束语

总而言之，目前随着我国城市用地地日趋紧张，越来越多的开发商把楼设计得更高，以缓解用地不足的问题。这导致很多超限建筑的产生，作为建筑结构设计人员，一定要注意对于超限建筑的结构设计，认真比较本文提到的四种结构选型，重视在结构设计中的关键点和注意事项，争取让超限建筑的结构设计完善，间接保障整体建筑的质量和安全性。