摘要:超限高層建筑由于其高度因素，結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，本文筆者結(jié)合多年建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、計(jì)算方法、超限情況以及超限的應(yīng)對(duì)措施等進(jìn)行了一些探討，以供業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員參考。
　　關(guān)鍵詞:超限高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剪力墻結(jié)構(gòu)
　　0前言
　　超限高層建筑工程是指超出國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用結(jié)構(gòu)類型的高層建筑工程，體型特別不規(guī)則的高層建筑工程以及有關(guān)政府管理機(jī)構(gòu)文件中規(guī)定應(yīng)進(jìn)行抗震專項(xiàng)審查的高層建筑工程。在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要嚴(yán)格遵守所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還根據(jù)一些特殊要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析。本文以上海市楊浦區(qū)某超限高層建筑為例，探究此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)抗震措施，以供同行參考。
　　1工程概況
　　本工程建筑物最高的高度為72.800m，屬于高層住宅建筑。建筑平面由溫度縫分成左、右兩半?yún)^(qū)。左半?yún)^(qū)地上二十五層為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑總高為72.8m；右半?yún)^(qū)地上二十一層為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑總高為61.200m。地下室均為一層，作為車庫(kù)及設(shè)備用房。地下室層高為3.9m，頂層層高為3.2m，其余各層層高均為2.9m。建筑剖面、建筑二層平面分別見(jiàn)圖1、圖2。
　　
　　圖1：建筑剖面圖    圖2：建筑二層平面圖
　　2工程地質(zhì)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
　　2.1場(chǎng)地土層分布:
　　擬建場(chǎng)地地貌形態(tài)為濱海平原地貌,地勢(shì)較平坦,地面標(biāo)高在3.02～2.52m。場(chǎng)地土特性如下:
　　表1

　　本工程地震基本烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,場(chǎng)地類別為上海地區(qū)IV類,場(chǎng)地特征周期Tg=0.9s,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。由于在20m深度范圍內(nèi)無(wú)成層連續(xù)分布的粉性土存在,故當(dāng)7度地震時(shí),不存在地基土的液化問(wèn)題。
　　2.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概況
　　本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,將第7-2層草黃～灰色砂質(zhì)粉土層作為本住宅樓的樁端持力層,采用￠700鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)42m,樁端全端面進(jìn)入持力層深度不小于二倍樁直徑,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值2850kN;布樁方式主要以剪力墻下軸線布樁為主,部分荷載較大處采用墻下雙排樁。選擇第5-3層和第7-2層作為樁基持力層,樁基施工不會(huì)有困難。
　　3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　3.1抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
　　本工程為住宅,7度設(shè)防,剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。屬于丙類建筑,設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。
　　3.2設(shè)計(jì)荷載
　　地震作用:本工程地震相關(guān)參數(shù)按抗震設(shè)防要求取值,計(jì)算地震作用時(shí),建筑物的重力荷載代表值應(yīng)取恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值和活荷載組合值之和。抗震計(jì)算采用考慮18個(gè)振型、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法,并且采用彈性動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。
　　3.3地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　本工程一層地下室,用作機(jī)電設(shè)備用房及車庫(kù)。基礎(chǔ)形式采用厚筏板加樁基礎(chǔ),地下室結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)三級(jí)。住宅樓底板厚度1300mm,地下車庫(kù)底板厚度1000mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,抗?jié)B等級(jí)S6。主要技術(shù)措施:在適當(dāng)?shù)牟课辉O(shè)置施工后澆帶。采用摻入適量微膨脹劑以補(bǔ)償混凝土收縮。適當(dāng)提高地下室底板、外墻和頂板的長(zhǎng)向鋼筋配筋率,以增加地下室結(jié)構(gòu)的抗收縮能力。
　　3.4上部結(jié)構(gòu)
　　本工程上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.900m,采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。為使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度均勻變化,剪力墻厚度沿豎向逐漸收薄,材料強(qiáng)度也逐漸減小:剪力墻厚度三層以下350mm,混凝土采用C40;四層以上240mm,四至十層混凝土采用C35,十一層以上混凝土采用C30。上部各層樓板厚度一般為120。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置均勻、對(duì)稱,在兩個(gè)主軸方向具有合理的剛度和承載力分布,避免形成薄弱部位。剪力墻的門窗洞口上、下對(duì)齊,一通到底,形成明確的墻肢和連梁。由于本工程右半?yún)^(qū)局部超限,以下將以右半?yún)^(qū)為例進(jìn)行重點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析。
　　4 超限情況判別
　　在X向地震作用下:本樓第2層樓層最大層間位移與該樓層層間位移平均值的比值為1.32(該樓層最大層間位移為1/1101),為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。樓在二層抬高二層大堂空間,樓板開(kāi)洞面積大于該樓層面積35%,為樓板局部不連續(xù)。
　　本工程因立面大開(kāi)洞、平面使用功能的變化等原因形成了洞口兩側(cè)結(jié)構(gòu)的體型、平面、層數(shù)和剛度相差懸殊，同時(shí)帶有高位轉(zhuǎn)換構(gòu)件，且立面收進(jìn)水平尺寸大于相鄰下層25%的側(cè)向剛度不規(guī)則等，屬于超限高層，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)特別注意幾下幾點(diǎn)：
　　(1)提高結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)：框支梁、框支柱為特一級(jí)，底部加強(qiáng)部位的剪力墻、框架為一級(jí)，框支框架按中震彈性設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)與框支柱相連的斜向框架抗震措施。
　　(2)剪力墻布置應(yīng)盡量均勻，應(yīng)保證偶然偏心下的扭轉(zhuǎn)位移比不大于1.4。
　　(3)應(yīng)特別加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及以上一層樓層抗震設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施。
　　(4)轉(zhuǎn)換層以下框支柱應(yīng)滿足《高規(guī)》的要求，即每根框支柱所受的剪力不小于基底剪力的3%。
　　(5)為解決10層處縱向高位體型內(nèi)收所引起的剛度突變的不利影響，在構(gòu)造上將Y7軸柱的底部加強(qiáng)區(qū)延伸至11層頂。并加強(qiáng)Y7軸柱和屋面連接節(jié)點(diǎn)處柱的構(gòu)造。
　　5 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案
　　5.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性
　　在新規(guī)范與舊規(guī)范對(duì)比下，新規(guī)范在這方面做了較大的變動(dòng),增添了相當(dāng)多的限制條件,比如:平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,而且,新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案”。因此,結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意,以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。
　　5.2結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題
　　在抗震規(guī)范與高規(guī)中,對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制,尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題,除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度的建筑外,增加了B級(jí)高度的建筑,因此,必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意,一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑甚或超過(guò)了B級(jí)高度,其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問(wèn)題,導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò),必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開(kāi)專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況,對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。
　　5.3嵌固端的設(shè)置問(wèn)題
　　高層建筑物的地下室或人防一般都有二層以上,嵌固端的設(shè)置一般在地下室頂板,也有可能設(shè)置在人防頂板等位置,因此,在這個(gè)問(wèn)題上,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面,如:嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問(wèn)題,而忽略其中任何一個(gè)方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。
　　5.4短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題
　　根據(jù)新規(guī)范中對(duì)短肢剪力墻的做出了新定義，新規(guī)范中同時(shí)也對(duì)短肢剪力墻在高層建筑設(shè)計(jì)中增加了非常多的限制條件。所以，結(jié)構(gòu)工程師們?cè)诟邔咏ㄖ�設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)少用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設(shè)計(jì)工作帶來(lái)的麻煩。
　　6 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算與分析
　　根據(jù)上海市工程抗震辦公室初步設(shè)計(jì)抗震審查意見(jiàn),本樓為不規(guī)則的超限高層建筑,須進(jìn)行超限高層建筑抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。
　　在建筑結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算階段，我們要準(zhǔn)確、高效地對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與處理，做好工程設(shè)計(jì)中的每一步工作。由于新規(guī)范的推出，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體分析和計(jì)算都存在著相當(dāng)多的內(nèi)容需要調(diào)整和改進(jìn)，因此，結(jié)構(gòu)工程師在這一階段的問(wèn)題應(yīng)該有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。
　　6.1結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇
　　在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算軟件中，目前比較常用的有:TBSA、SATWE、ETABS、SAP或TAT等。由于每個(gè)軟件采用的計(jì)算模型不同，導(dǎo)致了每個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果也不同。所以，這就要求我們?cè)谶M(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)，必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件,并從不同軟件相差較大的計(jì)算結(jié)果中,判斷哪個(gè)是合理的、哪個(gè)是可以作為參考的,哪個(gè)又是意義不大的,這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作中首要的工作。否則,如果選擇了不合適的計(jì)算軟件,不但會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力,而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。
　　6.2振型參數(shù)的準(zhǔn)確取值
　　在舊的規(guī)范設(shè)計(jì)中，沒(méi)有提出振型參與系數(shù)的概念，而在新規(guī)范中對(duì)振型參與系數(shù)的概念非常明確,并提出了該參數(shù)的限值。所以，在計(jì)算分析階段必須對(duì)計(jì)算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷,并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的準(zhǔn)確取值。
　　6.3多塔類型計(jì)算要點(diǎn)
　　曾經(jīng)有一段時(shí)間，大底盤、多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn),因而在計(jì)算分析該類型高層建筑時(shí),是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算,還是將結(jié)構(gòu)人為地分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算,是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問(wèn)題。如果多塔間剛度相差較大,就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求,但是對(duì)某一座塔樓的地震力計(jì)算誤差仍然有可能較大,從而便結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。
　　6.4非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)
　　在高層建筑設(shè)計(jì)中，由于建筑美觀或功能要求方面存在一些非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。特別是在高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載都比較大，所以，必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　本工程采用梁式轉(zhuǎn)換，上部框架柱直接落在轉(zhuǎn)換梁上，由于上部框架的截面尺寸較小，柱子微小的垂直位移就可能產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，因此必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換梁的撓度，同時(shí)應(yīng)提高轉(zhuǎn)換框架的抗震承載力以及抗震等級(jí)，根據(jù)抗震專項(xiàng)審查專家意見(jiàn)，框支柱及轉(zhuǎn)換梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用中震下仍保持彈性受力狀態(tài)，抗震等級(jí)采用特一級(jí)，其截面中均設(shè)置勁性鋼骨(如下圖3)。
　　
　　圖3：轉(zhuǎn)換梁上柱插鋼筋示意圖
　　由于轉(zhuǎn)換梁上荷載很大，中部轉(zhuǎn)換梁上柱底恒載作用下軸力達(dá)到了7215KN，轉(zhuǎn)換梁跨中和支座最大組合彎矩分別達(dá)到了48132KN/M和41001KN/M，梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力必須加強(qiáng)，同時(shí)加強(qiáng)相鄰跨框架梁的剛度和強(qiáng)度從而提高平衡轉(zhuǎn)換梁支座彎矩的能力。
　　7 結(jié)構(gòu)超限應(yīng)對(duì)措施
　　在風(fēng)作用和地震作用下,房屋的頂點(diǎn)位移、層間位移角、強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性等均能滿足規(guī)范要求。房屋的周期比較小,證明房屋自身的抗扭剛度較好,從位移比來(lái)看,亦能控制房屋在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
　　該建筑在二層平面上開(kāi)洞大小超限,但樓層位移、層間位移、層剪力曲線沿豎向都比較光滑,計(jì)算結(jié)果表明豎向剛度無(wú)明顯突變,結(jié)構(gòu)不存在明顯薄弱層。盡量將洞口周邊的剪力墻加厚,同時(shí)將建筑物外邊緣的梁加高,在凸窗處的連梁盡可能做高,加強(qiáng)地下室頂板及大屋面樓板。在各樓層的深開(kāi)口處設(shè)拉梁,并適當(dāng)加強(qiáng)這些部位樓板的厚度和配筋。以便傳遞水平地震荷載,有效減少地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。且在計(jì)算時(shí)按彈性樓板假定驗(yàn)算,配筋考慮板平面內(nèi)的彎剪作用。
　　為提高結(jié)構(gòu)平面整體性,提高結(jié)構(gòu)薄弱部位構(gòu)件的抗震措施,保證構(gòu)件具有足夠的延性,避免脆性破壞(如錨固破壞、剪切破壞、砼局壓破壞等)嚴(yán)格控制豎向構(gòu)件的軸壓比,內(nèi)墻采用輕質(zhì)混凝土空心砌塊或加氣混凝土砌塊,減輕結(jié)構(gòu)自重,計(jì)算結(jié)果顯示,構(gòu)件的軸壓比滿足規(guī)范要求,表明結(jié)構(gòu)具有較好的抗變形能力。
　　8 結(jié)束語(yǔ)
　　由此可見(jiàn)，超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常長(zhǎng)期、復(fù)雜的工作，它對(duì)結(jié)構(gòu)工程師既要有扎實(shí)的理論功底,又要有豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并且結(jié)合概念設(shè)計(jì),這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑物才能達(dá)到既安全、可靠,又經(jīng)濟(jì)、合理。所以，任何在這過(guò)程中的遺漏或錯(cuò)誤都有可能使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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