劉金濤

（雅克設(shè)計(jì)有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

基于復(fù)雜高層及超高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

劉金濤

（雅克設(shè)計(jì)有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

隨著我國技術(shù)的不斷進(jìn)步，高層建筑結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、超高是高層建筑復(fù)雜性的顯著體現(xiàn)，因此進(jìn)行對復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，在確保安全性的同時(shí)，還用注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。本文首先詳細(xì)的分析了復(fù)雜及超過層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)，最后以某工程實(shí)例說明結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)在復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，為今后工程的設(shè)計(jì)提高一定的參考依據(jù)。

復(fù)雜高層；建筑結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；研究

1　復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1選擇合理的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

高層建筑高度的不同，其采用的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系也各不相同，其結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系如表1所示。

表1　建筑工程不同高度時(shí)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

在對復(fù)雜高層及超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件能夠發(fā)揮整體作用，當(dāng)采用多層抗側(cè)力體系時(shí)，需要對每種抗側(cè)力體系對結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行分析，進(jìn)而對抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)合理的布置。復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件盡量相互連接，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，比如可以采用伸臂桁架將框架柱和核心筒相互組合，圖1所示的廣州東塔及其組合抗側(cè)力體系，該建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就是通過伸臂桁架很好的實(shí)現(xiàn)了核心筒和框架柱的相互連接。

圖1　廣州東塔及其組合抗側(cè)力體系

此外還可以采用巨型斜撐、環(huán)帶桁架框架柱組合成整體，使其形成巨型框架，如圖2所示的深圳平安大廈及其組合抗側(cè)力體系，該建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就是通過巨型斜撐、環(huán)帶桁架將框架柱組合成整體。

此外，還可以將縱橫墻體相互組合起來，形成組合混凝土筒體或組合墻，這幾種抗側(cè)力體系在復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。

1.2重視建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，復(fù)雜高層及超高層建筑，首先應(yīng)做到結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)上的合理性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念給予高度的重視，在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)可參考以下幾方面的內(nèi)容：

（1）盡量做到結(jié)構(gòu)平面上和豎直方向的規(guī)則性，從結(jié)構(gòu)均勻性上提高復(fù)雜高層及超過高層建筑的穩(wěn)定性；

（2）確保建筑結(jié)構(gòu)具有明確的傳力路徑，尤其是豎向傳力，一定要保障結(jié)構(gòu)傳；力路徑的順暢連續(xù)性；

（3）對復(fù)雜高層及超高層建筑首先應(yīng)確保在結(jié)構(gòu)上具有很高的整體性；

（4）建筑結(jié)構(gòu)的整體受力是建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，因此需要從工程材料和設(shè)計(jì)、施工技術(shù)上提高受力結(jié)構(gòu)的整體水平，為了充分實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)要求，就必須協(xié)調(diào)工程師之間的交流性，只有保證良好的溝通才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

圖2　深圳平安大廈及其組合抗側(cè)力體系

1.3結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

在滿足建筑功能性的基礎(chǔ)上，抗震設(shè)計(jì)是復(fù)雜高層及超高層建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是確結(jié)構(gòu)安全性最為關(guān)鍵的一環(huán)，在地震發(fā)生時(shí)能夠有效的減低輸入結(jié)構(gòu)中的地質(zhì)能量，實(shí)踐證實(shí)，做好抗震設(shè)計(jì)需要做好以下五個(gè)方面：

①在進(jìn)行復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)地震作用下構(gòu)件的承載力驗(yàn)算的同時(shí)還需要應(yīng)對結(jié)構(gòu)的層間位移限值進(jìn)行有效的控制；②在對具體復(fù)雜高層及超高層建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對基于力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析，確保結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的塑性變形能夠滿足預(yù)期要求；③對復(fù)雜高層及超高層建筑構(gòu)件的變形和結(jié)構(gòu)的整體位移之間的精確關(guān)系進(jìn)行綜合的分析，確定構(gòu)件的有效變形值；④加強(qiáng)復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)，并對一些重要構(gòu)件進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)；⑤選擇堅(jiān)固的場地，做好工程的施工，有效的減少地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量。

1.4抗風(fēng)設(shè)計(jì)

在復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的第一自振周期和工程所在地的卓越周期相差很大，對于抗震設(shè)防烈度相對比較低的，比如Ⅵ度設(shè)防、Ⅶ度設(shè)防，此時(shí)風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地震對結(jié)構(gòu)的影響程度，尤其是對于一些比較柔的復(fù)雜高層及超高層建筑，風(fēng)載荷在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到控制作用。因此，對于這類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師有必要對風(fēng)載荷進(jìn)行專業(yè)的研究。一般情況下，我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）中風(fēng)載荷的計(jì)算公式為Wk=βzμsμzW0，其中μz為風(fēng)壓高度的變化系數(shù)。對于A類地面：μz=0.794Z0.24；B類地面：μz=0.479Z0.52；C類地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）當(dāng)中，對200m以上的復(fù)雜高層和超高層建筑做了特殊的規(guī)范，在確定復(fù)雜高層及超高層建筑確定非圓形截面的橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載時(shí)，必須進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。通過風(fēng)洞試驗(yàn)對建筑外形的空氣動力進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)確定主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行對結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1.5控制關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性

對于復(fù)雜高層及超過程建筑工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中確保各項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性，包括：結(jié)構(gòu)的單位面積質(zhì)量、周期比、剪重比、位移比、層間位移角、剛度比與抗剪承載力比、整體穩(wěn)定性、核心筒和框架部分剪力與彎矩的分配情況等。

2　復(fù)雜高層及超高層基于性能的抗震設(shè)計(jì)

2.1確定性能目標(biāo)

復(fù)雜高層及超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)是指某一設(shè)定地震地面運(yùn)動下結(jié)構(gòu)所要達(dá)到的預(yù)期性能水準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5001-2010）對結(jié)構(gòu)地震破壞等級進(jìn)行了劃分，表2為我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中四種性能控制目標(biāo)。

表2　建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的控制目標(biāo)

根據(jù)抗震安全性評價(jià)的能量原則，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力高，就可以適當(dāng)?shù)慕档徒Y(jié)構(gòu)塑性變形能力的延性要求；反之，如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力比較低，則應(yīng)相應(yīng)的提高結(jié)構(gòu)的延性變形能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能目標(biāo)1時(shí)，在預(yù)期的罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體上基本上處于彈性狀態(tài)，則對于細(xì)部構(gòu)造只需要滿足最基本的構(gòu)造要求即可；當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能目標(biāo)2時(shí)，在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本上完好，在預(yù)期罕遇地震作用下部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能發(fā)生屈服，對于細(xì)部構(gòu)造則需要滿足延性的最低要求；當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能目標(biāo)3時(shí)，在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件已有輕微的塑性變形，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體上有明顯的塑性變形，對于細(xì)部構(gòu)造則應(yīng)滿足延性構(gòu)造的中等要求，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能目標(biāo)4時(shí)，在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞已大于性能目標(biāo)3，結(jié)構(gòu)的總體抗震承載力僅略高于一般情況，對于細(xì)部構(gòu)造則需要滿足延性的最高要求。

2.2合理選用結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)

對于復(fù)雜高層及超高層建筑，其結(jié)構(gòu)的高度或規(guī)則性都超出了現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程的適用限值，從而在進(jìn)行這類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)缺少可靠的規(guī)定和依據(jù)。基于性能的設(shè)計(jì)方法是當(dāng)前我國復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計(jì)，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的超高超限情況、不規(guī)則程度、工程所在地的設(shè)防烈度和經(jīng)濟(jì)因素，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位、薄弱部位或主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在滿足提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力或結(jié)構(gòu)的變形能力或同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力和變形能力的要求的情況下，合理確定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)。

2.3工程實(shí)例分析

某復(fù)雜工程其抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅲ類，結(jié)構(gòu)形式為大底盤雙塔結(jié)構(gòu)，北塔樓地上58層，總高度為246m，為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，框架柱采用型鋼混凝土柱，沿豎向利用建筑避難層設(shè)置三道環(huán)向鋼筋混凝土桁架。裙房大底盤在水平方向極不規(guī)則，錯(cuò)層、樓板開洞、越層柱等，如圖3所示；北塔樓高度超B級，由于環(huán)向桁架的設(shè)置使得相鄰樓層受剪承載力比不能滿足規(guī)范要求。

本工程的抗震性能目標(biāo)和主要的抗震措施：增強(qiáng)大底盤結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，對大底盤和大底盤屋面以上2～3層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件都按中震彈性的性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，大底盤結(jié)構(gòu)的抗震措施按照不低于北塔樓抗震措施要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；三道環(huán)向桁架所在樓層及上下相鄰樓層按中震彈性進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算；對底層抗震墻肢的平均剪應(yīng)力進(jìn)行控制，使其不大于0.15fck，本工程滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的抗剪控制條件。

本工程進(jìn)行小震作用下的彈性驗(yàn)算后，采用靜力彈塑性推覆法對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的分析，推覆結(jié)果表明本工程在6度中震時(shí)整體結(jié)構(gòu)基本上處于彈性狀態(tài)，主要的抗側(cè)力構(gòu)件如抗震墻、框架柱和梁都沒有發(fā)生屈服，核心筒處的部分連梁出現(xiàn)了少量的塑性鉸，且塑性鉸剛剛達(dá)到屈服。本工程在6度罕遇地震作用下整體結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布情況如圖4所示，由圖4可知連梁達(dá)到一定的屈服程度，核心筒底部和環(huán)向桁架所在樓層個(gè)別墻肢也相繼出現(xiàn)了塑性鉸；另外和核心筒相連的部分框架梁梁端也出現(xiàn)了塑性鉸，且大部分梁端塑性鉸分布在避難層。但本工程整體上滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用小的承載能力和變形能力。

圖3　工程效果圖

圖4　工程罕遇地震作用下塑性鉸分布

3　結(jié)束語

隨著我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的形式越來越復(fù)雜，高度越來越高，在進(jìn)行復(fù)雜工程及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，保證其科學(xué)合理性是非常必要的，本文主要對復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了簡單的分析，并以實(shí)際工程為例對復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，對今后類似這樣的工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1]單斌.芻議復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中華民居，2014（12）.

[2]王希建，禹志偉.復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].城市建筑，2015（9）.

[3]劉旭東.復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析[J].低碳世界，2014（12）.

[4]楊學(xué)林，李曉良.復(fù)雜超限高層建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012.

TU973

A

1673-0038（2015）36-0039-03

2015-8-19