簡談超高層的建筑結構設計

　　鋼筋混凝土柱外框架體系將作為有效的承重支撐，怎樣淺談超高層的建筑結構設計?

　　一工程概況的地基基礎

　　某項目地上建筑面積為13.45萬m，地下建筑面積為4.3萬m，總建筑面積為17.75萬m。根據巖土工程勘察報告，本工程場地地基土層為第四紀沖海積的黏土和淤泥層，基底巖性為侏羅紀熔結凝灰巖，場地內無液化土層。賓館塔樓柱下荷載最大達3.8×104kn，商務塔樓柱下荷載最大達3.5×104kn，采用大直徑灌注樁，平板式樁筏基礎。經優化比較，樁徑 700～1100較為合理。商務樓和賓館塔樓下筏板厚度為3m，其他位置底板采用厚板式，板厚為1.2m。針對本工程塔樓和輔樓預期存在的沉降差異問題，在各塔樓與輔房之間設置后澆帶，并配合相應的后澆帶處理措施和大體積混凝土澆筑措施，解決了超長結構混凝土的收縮裂縫問題和塔樓與輔樓間的沉降差異在基礎底板中產生過大內力的問題。

　　二結構設計與計算

　　⑴結構體系。塔樓外框架柱采用現澆鋼筋混凝土柱，鋼筋混凝土柱外框架體系將作為有效的承重支撐，大部分豎向荷載通過軸力方式向下傳遞，而混凝土核心筒除了承受豎向荷載外，其主要功能是提供強大的抗側力能力。《建筑抗震設計規范》規定：6度區現澆鋼筋混凝土框架一核心筒結構適用的最大高度為150m，本工程兩塔樓的房屋高度均為161.1in，僅超過11.1m;本工程屬b級高度，而《高層建筑混凝土結構技術規程》規定：6度區框架一核心筒結構b級高度建筑的最大適用高度為210m，還有48.9m才超限;大跨度鋼結構連廊的存在使得本工程屬于特殊類型的高層建筑(大跨度連體)。但由于本工程塔樓高寬比h/b為4.4并不大，兩塔樓的平面及豎向結構特性變化較少，且連廊與塔樓采用弱連接，對塔樓耦合影響小。計算分析結果也表明無異常薄弱層出現，且以風荷載為控制水平作用。綜上所述，本工程有兩項輕微超限，設計時采取必要的抗震加強措施，在技術上是可行的，順利通過設計審。

　　⑵彈性計算。本工程采用中國建筑科學研究院編制的《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件sat–we》、《特殊多、高層建筑結構分析與設計軟件pm—sap))及美國csi公司的國際通用結構分析與設計軟件etabs等三個程序進行整體計算，均采用抗震耦聯分析并考慮偶然偏心。用satwe程序進行彈性動力時程分析。兩塔樓的自振特性計算結果見表1和表2，三個軟件的計算結果較接近，從側面反映出結構模型和分析的正確性。結構的主要振型以平動為主，扭轉為主的第1自振周期與平動為主的第1自振周期之比，賓館塔樓分別為0.577、0.605、0.538，商務塔樓分別為0.593、0.603、0.529，均小于0.85，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程(jgj3—2002)》的要求。

　　風荷載及多遇地震作用下的結構反應計算是結構設計中的重要內容，結構在風荷載及多遇地震作用下結構最大點位移和最大的層間位移角，可見在風荷載和地震作用下的層間位移角度均小于規范限值。兩塔樓產生的最大屋面位移及最大層間位移角均是x方向風荷載作用下產生的，其中商務塔樓最屋面位移為93.44mm，最大層間位移角為1/1537;賓館塔樓最大屋面位移為82.83mm，最大層間位移角為1/1743。最大層間位移角均小乎規范所規定的限值1/800。本工程塔樓屬于風荷載為控制水平作用，在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下，樓層豎向構件最大水平位移和層間位移與其平均值之比小于規范限值，說明結構具有很好的抗扭剛度。

　　地震作用下樓層剪重比也是結構整體分析的重要內容，計算結果表明，兩塔樓各層x方向和y方向的層間地震剪力均滿足規范的最小剪重比要求。賓館塔基底框架和核心筒的x方向傾覆力矩分別為2.83×105kn•m，6.55x105kn•m;y方向傾覆力矩分別為2.66×105kn•m，8.09×105kn•m。商務塔基底框架和核心筒的x方向傾覆力矩分別為3.21×105kn•m，6.08×105kn•m;y方向傾覆力矩分別為2.37×105kn•m，7.66×105kn•m。核心筒所占傾覆力矩沿結構高度始終大于總地震傾覆力矩的50%，表明對于整體結構安全度是可靠的。

　　⑶彈性時程分析。按照《巖土工程勘察報告》確定的場地類別，采用《工程場地地震安全性評價報告》提供的地震動參數，選擇兩組實際地震記錄波和一組人工模擬地震波進行彈性動力時程分析。每條時程曲線計算所得的結構底部剪力大于cqc法求得的底部剪力的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值大于cqc法求得的底部剪力的80%。cqc法計算結果基本包絡三條時程曲線計算所得的平均值，僅在結構頂部的少數樓層地震剪力偏小，說明設計反應譜在長周期階段的人為調整以及計算中對高階振型的影響估計不足，設計時將對頂部樓層的地震剪力進行調整，滿足對時程分析法的內力包絡要求。除此以外，結構內力和配筋可直接按cqc法計算結果采用。

　　⑷中震不屈服分析和動力彈塑性分析。如前所述，本工程平面及豎向結構特性變化較少，多遇地震下的計算結果也無超限情況出現，鑒于本工程建筑等級較高為確保結構安全可靠，我們依然對其進行了中震不屈服驗算，使剪力墻、柱、連梁和框架梁等重要抗震構件在中震作用下不屈服。

　　通過中震不屈服計算和判斷，兩塔樓結構體系中豎向構件在中震作用下保持著良好的彈性性能，而水平構件特別是連梁則有部分進入屈服狀態，通過調整連梁和框架梁的配筋和對部分連梁截面進行調整，才使所有主要水平構件不進入屈服狀態。這從設計上保證了中震不屈服的落實，體現了地震中各構件的屈服順序基本上是首先連梁屈服，其次有部分框架梁屈服，而豎向構件則未出現屈服情況。

　　三主要技術及措施

　　⑴空中連廊支承結構抗震加強措施。連廊弱連接支座留足連廊兩端活動空間確保不出現下墜，采用抗拉鉸接萬向支座，并用側面限位器固定，確保水平荷載直接傳遞到塔樓主結構。支承連廊的框架柱抗震等級提高為一級，以確保安全性。

　　⑵連廊及頂部塔樓結構抗震加強措施。連廊采用空間鋼結構桁架，鋼筋混凝土樓板的形式，并進行專門設計。頂部蓮花座高度較高且外形復雜，采用將芯筒適度上升，外復鋼結構形成蓮花座外形的結構設計，能極大地減輕自重保證結構強度，從而有效克服鞭梢效應，且施工方便。

　　⑶平面扭轉不規則抗震加強措施。主要采取調整抗側力構件的布置，使質心與剛心盡量重合，并加大結構的扭轉剛度，以減小結構扭轉效應，使結構各樓層的位移比不大于1.4。例如由于塔樓平面存在局部凸出圓弧，部分樓論文聯盟層的x向最大水平位移與平均層間位移比值超b級高度的1.4，最大達到1.47，最終通過適當加寬圓弧內柱子x向柱寬，并加強兩柱聯系梁剛度得以解決。

　　⑷側向剛度不規則抗震加強措施。適當加大立面變化處樓層的板厚及配筋，并采用雙層雙向配筋，加強與立面變化樓層相交的豎向構件的配筋，如25層局部凸出圓弧結束，豎向構件截面變化則避開25層，并適當加強24～26層豎向構件配筋。

　　四結束

　　超高層建筑雙塔結構是一種非常復雜的結構體系，如何科學合理地設計超高層建筑結構已成為一個急需解決的問題。超高層建筑應采用合理的計算模型，通過多種分析進行比較，證明結構設計是可靠的，因此設計者要足夠重視抗震設計。

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