试论超高层住宅的结构设计与抗震

吴啟钧

广东贝林建筑设计有限公司 广东 广州 510000

引言

城市化管理模式的盛行和城区人口密度的逐步加大，使超高层建筑被确定为建筑业未来发展的主要路线，城区超高层建筑不断涌现，并且在建材到主体架构也在不断升级，并且抗震设计一直是超高层建筑设计中的核心环节，近些年来，国内超高层结构抗震设计水平逐步加强，然而超高层建筑结构抗震被确定仍被确定为现代建筑发展中的主要难题，所以就有必要对超高层住宅结构设计与抗震设计进行研讨。

1 超高层住宅结构设计的要求

1.1 设计计划的制定

住宅设计的美观经济适用非常关键，高质量的设计计划需要以简单对称的结构布置为前提，应当注意到建筑造型的美观，同时还在合理范围内尽量体现出设计的经济性[1]。

超高层住宅结构设计的核心就是结构布置的合理、均衡，所以设计计划应当保证在舒适使用和安全的前提下，还应当具有简便性，在方案阶段就要考虑建筑功能与结构布置的和谐统一。除此之外，还需要结合工程的地理条件、使用要求、结构类型等环节上做出综合的衡量，还应当与水电等专业进行配合，进而从综合角度上考虑，来制定住宅设计计划，保证超高层住宅的安全实用。这就要求我们将工程概况、规范、结构形式、荷载情况、参数设置、构件截面、基础选型、建筑平面图、材料等进行分析和罗列，作一个可行性的专业内和专业间的综合分析。还要注意，对于超限高层结构的超限审查，全国各地存在一定的地区差异，在结构方案设计阶段要注意核查清楚当地的做法和标准，并严格执行[2]。

1.2 结构设计思路

一般的结构设计，我们的设计思路是抗规的要求：小震不坏、中震可修、大震不倒，就是我们所说的两阶段三个水准设计。通过小震弹性设计，加以强柱弱梁、强剪弱弯、强墙肢弱连梁等构造加强措施，以增强构件的延性，最后达到小震不坏、中震可修的要求。 这样的一个性能目标，它是最基本的性能目标要求。

而超高层住宅的结构设计思路是加以性能化设计。性能化设计是建立在概念设计上的抗震设计的一种新的发展，它主要的观点是在不同的地震动下，针对 不同的构件（关键构件、普通构件、耗能构件）或同一构件（同一个柱子、同一片墙）的不同的内力（轴力、弯矩或者是剪力），提出不同的目标。性能设计包含常规的小震设计， 然后就到了我们的中震和大震设计。中震的性能化设计指的就是按照规范谱进行分析，αmax采用中震的数值。大震的性能化设计包含两部分，第一部分指的就是按照规范谱进行分析，αmax采用大震的数值； 第二部分就是大震的弹塑性分析， 是采用时程地震波进行的积分分析。

1.3 对计算实行正确的分析

国内科技水平在逐步加强，这样就对建筑企业发展提供了有利条件，智能终端技术属于现代科技发展中的主要项目，智能终端技术也在现代住宅结构设计上得到全面融入。设计师的计算软件愈加丰富，但同时也伴随了一些影响因素，一个工程在多个软件里的计算结果存在差异，这就需要设计师有一套系统方法去比较和分析。

一般来说，小震弹性分析需要分别采用两个不同力学模型的空间结构分析，分析时，均采用振型分解反应谱法计算地震作用，并考虑了偶然偏心及双向地震作用；采用CQC（完全平方根组合）进行振型组合，采用《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的方法计算双向地震作用。还应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。选用3条或7条地震波进行多遇地震下弹性时程分析。例如采用PKPM和YJK作为主要分析软件，采用ETABS、Midas作为辅助软件对比分析。而大震弹塑性分析会采用sausage、Midas等软件为结构进行分线型地震反应分析[3]。

2 高层民用建筑结构设计中普遍的问题与对策

2.1 超高的问题

现阶段，世界大部分国家都发生了前所未有的高等级暴风雪天气情况，并且也基于抗震性能等环节的衡量，国内相关部门也在超高层住宅的高度上提出了较高的标准，将住宅高度确定为A级高度，B级高度，超B级高度，超高层住宅的结构构造措施也都得到明显区分[4]。当房屋高度在《高层混凝土结构规程》B级高度范围内时，比较规则的建筑应按高规执行。超高时应从严掌握建筑结构规则性的要求，明确竖向不规则和水平向不规则的程度，应注意楼板局部开大洞导致较多数量的长短柱共用和细腰形平面可能造成的不利影响，避免过大的地震扭转效应。

2.2 高层结构规则性问题

规则性超限是指建筑结构布置属于《抗震规范》 、《高层混凝土结构规程》规定的特别不规则的高层建筑工程。包括结构平面不规则、竖向不规则、转换层、加强层、错层、连体和多塔等不规则。要针对不规则的多少、程度和薄弱部位，明确提出为达到安全而比现行规范、规程的规定更严格的具体抗震措施或预期性能目标。

3 超高层建筑的抗震设计方法与要点

3.1 设计方法

在超高层住宅结构设计的过程中，需要结合两阶段三水准的思路考虑。在第一阶段设计时，选择与第一水准相契合的参数，结构整体计算包含竖向和水平荷载工况。其中竖向荷载工况包括结构自重、附加恒载及活载，计算时考虑施工模拟加载。水平荷载工况包括地震作用及风荷载。小震下采用规范反应谱，同时考虑双向水平地震作用、偶然偏心以及施工模拟加载的影响，采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法。选用5组天然波和2组人工波，对结构作弹性时程分析，并将其结果的平均值与规范反应谱分析结果相比较，取其包络进行设计，根据弹性时程分析结构，对剪力增大的楼层剪力乘以剪力放大系数进行构件验算。还要对风荷载下剪力墙偏拉验算进行专项分析，以确保小震不坏，中震可修。

第二阶段采用Sausage对整体结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，有助于发现结构薄弱环节，并有针对性对结构构件进行加强，使结构能够满足预设的罕遇地震作用下性能目标和规范层间位移角要求，以确保大震不倒。

3.2 结构规则性

从超高层住宅结构的角度而言，所开展的设计工作需要保证住宅结构具备强大抗扭刚度，保证平面结构布置和受力的均衡，能够满足抗震设计的标准[5]。

综合考虑建筑功能、立面造型、抗震（风）性能要求、施工周期以及土建造价等因素，高草层住宅一般采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，剪力墙宜平面内上下对齐，保证传力清晰。但有可能由于建筑功能限制，平面某个方向多为阳台或窗，沿建筑平面这一方向可布置剪力墙的数量较少，设计上应加长该方向剪力墙长度，加大外围端柱尺寸，结合飘窗增加梁高、梁宽，以加强结构这一向抗侧刚度使其满足规范要求。

对可能发生应力集中的区位做出专项分析和构造加强，如此设置能够明显减少地震带来的危害性，能保证住宅架构符合相关标准。如核心区域、楼梯区域及其周边薄弱连接处楼板进行楼板应力分析，构造上加厚至150mm，并根据分析结果对楼板应力较大区域进行加强，保证在地震作用下楼板能有效传递水平荷载和有效协调所连接结构的变形。

3.3 针对剪力墙的分析加强

使用剪力墙结构的超高层住宅的抗震性与剪力墙就有这十分重要的联系。剪力墙是竖向承重构件，通过连梁、框架梁围蔽起来形成建筑物本身的刚度，承受水平风荷载、地震荷载作用，所以剪力墙的设计是超高层住宅的重点。

经过小震弹性、中大震等效弹性的分析，剪力墙需要按小中震包络配纵筋、箍筋。关键构件底部加强区剪力墙，除满足小震、中震、大震的计算配筋要求外，其最小分布筋配筋率由0.25%提高到0.35%；角部剪力墙抗震等级宜提高，竖向分布筋最小配筋率提高为0.8%。底部加强区的剪力墙边缘构件及水平筋需由小震与中震抗弯不屈服抗剪弹性包络配筋。建筑周边剪力墙端柱或短翼缘墙肢、小翼缘墙垛全高采用约束边缘构件，同时满足框架柱设计要求，箍筋均按全高加密构造加强[6]。

结束语

近些年来，国内建筑设计的能力不断加强，这样就为超高层建筑的发展创造了有利条件。专业技术人员在结构设计的过程中，应当结合地方客观条件，以正确的方法开展结构与地震设计工作，结合既定的设计原则以及专业规程，总结出结构设计、抗震设计与经济效益间的共通之处，为民众打造出更具安全性、规整性、艺术性和实用性的超高层建筑。