超限高层建筑结构设计的探究
关键词:超限高层建筑；结构设计；剪力墙结构
0前言
超限高层建筑工程是指超出国家现行规范、规程所规定的适用高度和适用结构类型的高层建筑工程，体型特别不规则的高层建筑工程以及有关政府管理机构文件中规定应进行抗震专项审查的高层建筑工程。在超限高层建筑结构设计过程中，除了要严格遵守所规定的技术标准的要求外，还根据一些特殊要求进行结构抗震计算分析。本文以上海市杨浦区某超限高层建筑为例，探究此类结构的设计方法与结构抗震措施，以供同行参考。
1工程概况
本工程建筑物最高的高度为72.800m，属于高层住宅建筑。建筑平面由温度缝分成左、右两半区。左半区地上二十五层为剪力墙结构，建筑总高为72.8m；右半区地上二十一层为剪力墙结构，建筑总高为61.200m。地下室均为一层，作为车库及设备用房。地下室层高为3.9m，顶层层高为3.2m，其余各层层高均为2.9m。
2工程地质及基础设计
2.1场地土层分布:
拟建场地地貌形态为滨海平原地貌,地势较平坦,地面标高在3.02～2.52m。场地土特性如下:
本工程地震基本烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为上海地区IV类,场地特征周期Tg=0.9s,设计地震分组为第一组。由于在20m深度范围内无成层连续分布的粉性土存在,故当7度地震时,不存在地基土的液化问题。
2.2基础设计概况
本工程地基基础设计等级为乙级。根据地质勘察报告,将第7-2层草黄～灰色砂质粉土层作为本住宅楼的桩端持力层,采用￠700钻孔灌注桩,桩长42m,桩端全端面进入持力层深度不小于二倍桩直径,桩身混凝土强度等级C30,单桩竖向抗压承载力设计值2850kN;布桩方式主要以剪力墙下轴线布桩为主,部分荷载较大处采用墙下双排桩。选择第5-3层和第7-2层作为桩基持力层,桩基施工不会有困难。
3结构设计
3.1抗震设防标准
本工程为住宅,7度设防,剪力墙抗震等级为三级。属于丙类建筑,设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级。
3.2设计荷载
地震作用:本工程地震相关参数按抗震设防要求取值,计算地震作用时,建筑物的重力荷载代表值应取恒荷载标准值和活荷载组合值之和。抗震计算采用考虑18个振型、扭转耦联的振型分解反应谱法,并且采用弹性动力时程分析法进行补充验算。
3.3地下室结构设计
本工程一层地下室,用作机电设备用房及车库。基础形式采用厚筏板加桩基础,地下室结构抗震等级三级。住宅楼底板厚度1300mm,地下车库底板厚度1000mm,混凝土强度等级C30,抗渗等级S6。主要技术措施:在适当的部位设置施工后浇带。采用掺入适量微膨胀剂以补偿混凝土收缩。适当提高地下室底板、外墙和顶板的长向钢筋配筋率,以增加地下室结构的抗收缩能力。
3.4上部结构
本工程上部结构标准层层高为2.900m,采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。为使结构的侧向刚度均匀变化,剪力墙厚度沿竖向逐渐收薄,材料强度也逐渐减小:剪力墙厚度三层以下350mm,混凝土采用C40;四层以上240mm,四至十层混凝土采用C35,十一层以上混凝土采用C30。上部各层楼板厚度一般为120。结构抗侧力构件布置均匀、对称,在两个主轴方向具有合理的刚度和承载力分布,避免形成薄弱部位。剪力墙的门窗洞口上、下对齐,一通到底,形成明确的墙肢和连梁。由于本工程右半区局部超限,以下将以右半区为例进行重点结构分析。
4 超限情况判别
在X向地震作用下:本楼第2层楼层最大层间位移与该楼层层间位移平均值的比值为1.32(该楼层最大层间位移为1/1101),为扭转不规则。楼在二层抬高二层大堂空间,楼板开洞面积大于该楼层面积35%,为楼板局部不连续。
本工程因立面大开洞、平面使用功能的变化等原因形成了洞口两侧结构的体型、平面、层数和刚度相差悬殊，同时带有高位转换构件，且立面收进水平尺寸大于相邻下层25%的侧向刚度不规则等，属于超限高层，在设计阶段应特别注意几下几点：
(1)提高结构抗震等级：框支梁、框支柱为特一级，底部加强部位的剪力墙、框架为一级，框支框架按中震弹性设计，并加强与框支柱相连的斜向框架抗震措施。
(2)剪力墙布置应尽量均匀，应保证偶然偏心下的扭转位移比不大于1.4。
(3)应特别加强转换层及以上一层楼层抗震设计与构造措施。
(4)转换层以下框支柱应满足《高规》的要求，即每根框支柱所受的剪力不小于基底剪力的3%。
(5)为解决10层处纵向高位体型内收所引起的刚度突变的不利影响，在构造上将Y7轴柱的底部加强区延伸至11层顶。并加强Y7轴柱和屋面连接节点处柱的构造。
5 选择合理的结构方案
5.1结构的规则性
在新规范与旧规范对比下，新规范在这方面做了较大的变动,增添了相当多的限制条件,比如:平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,而且,新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。因此,结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意,以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
5.2结构的超高问题
在抗震规范与高规中,对结构的总高度都有严格的限制,尤其是新规范中针对以前的超高问题,除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑,因此,必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中,出现过由于结构类型的变更而忽略该问题,导致施工图审查时未予通过,必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况,对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
5.3嵌固端的设置问题
高层建筑物的地下室或人防一般都有二层以上,嵌固端的设置一般在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此,在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面,如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题,而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
5.4短肢剪力墙的设置问题
根据新规范中对短肢剪力墙的做出了新定义，新规范中同时也对短肢剪力墙在高层建筑设计中增加了非常多的限制条件。所以，结构工程师们在高层建筑设计时，应当少用或不用短肢剪力墙,以避免给后期设计工作带来的麻烦。
6 结构抗震计算与分析
根据上海市工程抗震办公室初步设计抗震审查意见,本楼为不规则的超限高层建筑,须进行超限高层建筑抗震设防专项审查。
在建筑结构分析与计算阶段，我们要准确、高效地对工程项目进行内力分析并按照规范的要求进行设计与处理，做好工程设计中的每一步工作。由于新规范的推出，对建筑结构的整体分析和计算都存在着相当多的内容需要调整和改进，因此，结构工程师在这一阶段的问题应该有一个清晰的认识。
6.1结构整体计算的软件选择
在结构整体计算软件中，目前比较常用的有:TBSA、SATWE、ETABS、SAP或TAT等。由于每个软件采用的计算模型不同，导致了每个软件的计算结果也不同。所以，这就要求我们在进行工程整体结构计算和分析时，必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件,并从不同软件相差较大的计算结果中,判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的,哪个又是意义不大的,这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则,如果选择了不合适的计算软件,不但会浪费大量的时间和精力,而且有可能使结构有不安全的隐患存在。
6.2振型参数的准确取值
在旧的规范设计中，没有提出振型参与系数的概念，而在新规范中对振型参与系数的概念非常明确,并提出了该参数的限值。所以，在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行准确的判断,并决定是否要调整振型数目的准确取值。
6.3多塔类型计算要点
曾经有一段时间，大底盘、多塔楼的高层建筑类型大量涌现,因而在计算分析该类型高层建筑时,是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算,还是将结构人为地分开进行计算,是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大,就有可能出现即使振型参与系数满足要求,但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大,从而便结构出现不安全的隐患。
6.4非结构构件的计算与设计
在高层建筑设计中，由于建筑美观或功能要求方面存在一些非主体承重骨架体系以内的非结构构件。特别是在高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时,由于高层建筑的地震作用和风荷载都比较大，所以，必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。
本工程采用梁式转换，上部框架柱直接落在转换梁上，由于上部框架的截面尺寸较小，柱子微小的垂直位移就可能产生较大的附加应力，因此必须严格控制转换梁的挠度，同时应提高转换框架的抗震承载力以及抗震等级，根据抗震专项审查专家意见，框支柱及转换梁强度设计采用中震下仍保持弹性受力状态，抗震等级采用特一级，其截面中均设置劲性钢骨。
由于转换梁上荷载很大，中部转换梁上柱底恒载作用下轴力达到了7215KN，转换梁跨中和支座最大组合弯矩分别达到了48132KN/M和41001KN/M，梁柱节点的承载力必须加强，同时加强相邻跨框架梁的刚度和强度从而提高平衡转换梁支座弯矩的能力。
7 结构超限应对措施
在风作用和地震作用下,房屋的顶点位移、层间位移角、强度、整体稳定性等均能满足规范要求。房屋的周期比较小,证明房屋自身的抗扭刚度较好,从位移比来看,亦能控制房屋在地震作用下的扭转效应。
该建筑在二层平面上开洞大小超限,但楼层位移、层间位移、层剪力曲线沿竖向都比较光滑,计算结果表明竖向刚度无明显突变,结构不存在明显薄弱层。尽量将洞口周边的剪力墙加厚,同时将建筑物外边缘的梁加高,在凸窗处的连梁尽可能做高,加强地下室顶板及大屋面楼板。在各楼层的深开口处设拉梁,并适当加强这些部位楼板的厚度和配筋。以便传递水平地震荷载,有效减少地震作用下扭转效应。且在计算时按弹性楼板假定验算,配筋考虑板平面内的弯剪作用。
为提高结构平面整体性,提高结构薄弱部位构件的抗震措施,保证构件具有足够的延性,避免脆性破坏(如锚固破坏、剪切破坏、砼局压破坏等)严格控制竖向构件的轴压比,内墙采用轻质混凝土空心砌块或加气混凝土砌块,减轻结构自重,计算结果显示,构件的轴压比满足规范要求,表明结构具有较好的抗变形能力。
8 结束语
由此可见，超限高层建筑结构设计是一项非常长期、复杂的工作，它对结构工程师既要有扎实的理论功底,又要有丰富的工程设计经验,并且结合概念设计,这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠,又经济、合理。所以，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。
参考文献
[1]《混凝土结构设计规范》.GB50010-2008.
[2]《建筑抗震设计规范》.GB50011-2007.
[3]《高层建筑混凝土结构技术规程》.JGJ3-2006.