包潔瑋

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著城市土地資源的逐漸緊缺以及建造技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的超高層建筑出現(xiàn)在城市中。超高層建筑往往自重荷載大、結(jié)構(gòu)樣式復(fù)雜、安全性要求高，存在較大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采用性能化設(shè)計(jì)有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性、抗風(fēng)荷載性能以及提升樓板的振動(dòng)控制性能。本文以XY超高層建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，研究性能化設(shè)計(jì)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)概述

性能化設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著重要的作用，其目的在于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的性能，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)的耐用性和可靠性。性能化設(shè)計(jì)過程中考慮了多種因素，包括材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境適應(yīng)性和能源利用效率。在高層建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，開展性能化設(shè)計(jì)首先關(guān)注的是建筑結(jié)構(gòu)的安全性。通過使用高強(qiáng)度材料和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)解決方案，如核心筒和外框架系統(tǒng)，可以顯著提高建筑的穩(wěn)定性和抗震能力。此外，對(duì)于高層建筑來說，安全承受風(fēng)荷載和地震力也是性能化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，可以通過精確的工程計(jì)算和仿真模擬來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全[1]。

環(huán)境適應(yīng)性也是性能化設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵要素，這包括建筑的能源利用效率和對(duì)氣候變化的適應(yīng)性。通過利用被動(dòng)式設(shè)計(jì)方式，如自然通風(fēng)和日照控制，可以顯著減少建筑對(duì)能源的依賴，同時(shí)提高居住者的舒適度。此外，采用可持續(xù)材料和技術(shù)，如綠色屋頂和太陽能板，不僅有助于降低建筑的環(huán)境足跡，還可以提高其整體價(jià)值和吸引力。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)及驗(yàn)算方法

2.1 性能水準(zhǔn)

超高層建筑結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)是性能化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是衡量超高層建筑結(jié)構(gòu)安全性、耐久性和功能性的關(guān)鍵指標(biāo)，良好的性能水準(zhǔn)能夠確保建筑在預(yù)定的使用壽命內(nèi)，即使面臨極端條件，如地震、強(qiáng)風(fēng)等自然災(zāi)害，仍然保持結(jié)構(gòu)完整性和功能性。

例如，針對(duì)地震影響，建筑設(shè)計(jì)需遵循特定的抗震標(biāo)準(zhǔn)，如設(shè)定最大地震加速度為0.3g，建筑必須能夠承受此級(jí)別的地震動(dòng)力作用。此外，超高層建筑的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)同樣重要，可能需要建筑承受每秒40m的風(fēng)速[2]。在耐久性方面，超高層建筑應(yīng)采用高性能材料，如高強(qiáng)度鋼材和高性能混凝土。這些材料不僅能夠增強(qiáng)建筑的抗震和抗風(fēng)能力，而且還可以提高其耐久性。例如，使用強(qiáng)度等級(jí)為C60的混凝土可以顯著提高建筑的承載能力和耐候性。

2.2 性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)及驗(yàn)算方法

根據(jù)性能水準(zhǔn)精確設(shè)定性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，并通過驗(yàn)算過程確保這些目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。在超高層建筑設(shè)計(jì)中，性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)通常包括但不限于抗震性、風(fēng)荷載承受能力、長期變形控制和材料性能。

（1）抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及驗(yàn)算方法。

建筑需設(shè)計(jì)以承受特定地震級(jí)別，例如8.0級(jí)地震[3]。為此，基本地震作用加速度可設(shè)為0.35g。驗(yàn)算時(shí)的計(jì)算公式為：

式中：

F地——地震力；

A——地震加速度系數(shù)；

W——建筑重量。

此外，還需進(jìn)行更復(fù)雜的非線性動(dòng)力分析，以模擬建筑在不同地震作用下的響應(yīng)。

（2）抗風(fēng)荷載性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及驗(yàn)算方法。

風(fēng)荷載承受能力的評(píng)估同樣關(guān)鍵，特別是對(duì)于高度較大的建筑。例如，建筑需設(shè)計(jì)以抵抗50m/s的極端風(fēng)速。驗(yàn)算時(shí)的計(jì)算公式為：

式中：

在語文教學(xué)中實(shí)施分層考核測試時(shí)，要將教學(xué)中對(duì)學(xué)生的若干要求落實(shí)到對(duì)學(xué)生的能力檢測上面，如檢查學(xué)生的朗讀能力、口語表達(dá)能力以及實(shí)際寫作能力。在這些方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行檢測要實(shí)施科學(xué)的分層，然后再根據(jù)學(xué)生在語文學(xué)習(xí)中的不同情況，設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)要求，讓這些學(xué)生都能根據(jù)適合自己的語文學(xué)習(xí)目標(biāo)，對(duì)自己的語文學(xué)習(xí)進(jìn)行相應(yīng)安排。

ΔF——側(cè)向位移；

H——建筑高度；

k——阻尼系數(shù)；

EI——柱子的彈性模量乘以慣性矩；

f——風(fēng)荷載。

（3）長期變形控制和材料性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及驗(yàn)算方法。

關(guān)于長期變形控制，特別是對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，考慮混凝土的收縮和蠕變至關(guān)重要。使用C60高性能混凝土，并基于長期變形系數(shù)及實(shí)際加載歷史進(jìn)行計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)在長期使用中的穩(wěn)定性。在材料性能方面，選用高強(qiáng)度材料，如屈服強(qiáng)度不低于345MPa的高強(qiáng)度鋼材和抗壓強(qiáng)度不低于60MPa的高性能混凝土，以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的性能[4]。

3 超高層建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

XY超高層建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系能夠顯著提高建筑的穩(wěn)固性和安全性[5]。

3.2 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.2.1 豎向承重結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

考慮到XY超高層建筑的多功能性，豎向承重結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)不僅需滿足建筑美學(xué)需求，更要確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。該建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，為確保豎向承重結(jié)構(gòu)的可靠性，主要采用鋼筋混凝土框架和剪力墻組合?？蚣苤牟贾靡罁?jù)首層柱網(wǎng)布置圖，如圖1所示，優(yōu)化柱間距以提供足夠的空間利用效率和承重能力?？紤]到建筑的高度及自重，設(shè)計(jì)中每個(gè)框架柱采用了直徑不小于800mm的高強(qiáng)度鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C60，以確保良好的抗壓和抗彎性能[6]。剪力墻的設(shè)置是為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗側(cè)向變形能力，特別是在抵抗風(fēng)荷載和地震作用方面。剪力墻的厚度和鋼筋配置根據(jù)建筑的高度、形狀和功能要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在核心區(qū)域，剪力墻厚度通常在300mm至500mm之間，以提供充足的剛度和穩(wěn)定性。地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是豎向承重結(jié)構(gòu)的重要組成部分，考慮到地下三層的使用功能和土壓力，地下室墻體采用加固設(shè)計(jì)，墻體厚度不少于800mm，并配備適當(dāng)?shù)姆浪团潘到y(tǒng)。

圖1 首層柱網(wǎng)布置圖

3.2.2 水平承重結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

考慮到XY超高層建筑水平承重結(jié)構(gòu)主要由樓板和橫梁構(gòu)成，結(jié)構(gòu)必須能夠與豎向承重結(jié)構(gòu)（框架柱和剪力墻）協(xié)同工作，以保證整體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全[7]。樓板在水平結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用，不僅承受著人員、家具和設(shè)備的靜載荷，還要承受動(dòng)載荷，如人員移動(dòng)和機(jī)械震動(dòng)等。

在設(shè)計(jì)1～5層時(shí)，由于這些樓層需要滿足商業(yè)零售和多功能娛樂空間的開放性要求，樓板設(shè)計(jì)采用了較大的跨度以及較厚的板結(jié)構(gòu)，這樣既能夠提供足夠的開放空間，也能夠保證足夠的承載能力和剛度來承受可能的荷載。為此，樓板厚度一般設(shè)定為200mm，采用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，以減輕結(jié)構(gòu)自重并提高其抗裂性能。樓板的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)使得在較大跨度下也能保持較小的截面尺寸，同時(shí)滿足振動(dòng)控制和聲學(xué)性能的要求。1～5層結(jié)構(gòu)的布置圖如圖2所示。

圖2 1～5層結(jié)構(gòu)布置圖

對(duì)于6～30層的設(shè)計(jì)，樓板承載相對(duì)較輕的荷載，因此樓板厚度可以適當(dāng)減少至180mm，不過，考慮到風(fēng)荷載在層高增加時(shí)的作用，樓板和橫梁的設(shè)計(jì)需具有足夠的抗彎能力來應(yīng)對(duì)由風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平剪力和彎矩。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需確保滿足聲學(xué)隔音和防火要求，這在進(jìn)行樓板和橫梁的配筋設(shè)計(jì)時(shí)尤為重要。在橫梁設(shè)計(jì)方面，1～5層的橫梁截面尺寸較大，以便于支撐樓板和傳遞較大的荷載。橫梁的尺寸和配筋方案是根據(jù)荷載分布和樓板跨度計(jì)算得出的。通常情況下，這些橫梁的截面高度從600mm至800mm不等，以確保能夠有效地承載并分配荷載至框架柱和剪力墻。6～30層結(jié)構(gòu)的布置圖如圖3所示。

圖3 6～30層結(jié)構(gòu)布置圖

3.3 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)效果分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)性能化目標(biāo)及驗(yàn)算方法計(jì)算得到本工程高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)值，將其與試驗(yàn)實(shí)際測量值和模擬預(yù)測值進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)效果對(duì)比分析[8]。

針對(duì)XY建筑結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注了建筑對(duì)地震和風(fēng)荷載的響應(yīng)。設(shè)計(jì)階段的模擬分析顯示，建筑在設(shè)定的地震作用下的最大側(cè)向位移限值為300mm，而實(shí)際測量結(jié)果表明，側(cè)向位移在強(qiáng)震模擬中的最大值為280mm，低于安全閾值，表明建筑具有良好的抗震性能。同樣地，針對(duì)風(fēng)荷載的響應(yīng)，設(shè)計(jì)階段的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為30m/s，模擬得出的最大側(cè)向位移為150mm，而實(shí)際風(fēng)洞測試結(jié)果顯示最大位移為140mm，這進(jìn)一步證實(shí)了設(shè)計(jì)的有效性。

此外，樓板振動(dòng)頻率也是評(píng)估設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求建筑的主要居住區(qū)域的樓板振動(dòng)頻率不得低于4Hz，以避免人為活動(dòng)引起的不適感。測試數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際振動(dòng)頻率為4.5Hz，優(yōu)于預(yù)定目標(biāo)。表1列出了設(shè)計(jì)值與實(shí)測/模擬值。從表1中可以看出，本工程的性能化設(shè)計(jì)效果顯著，滿足超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

表1 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)效果分析

4 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過對(duì)XY超高層建筑結(jié)構(gòu)的綜合性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證了超高層建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。從抗震性能的精確驗(yàn)算到樓板振動(dòng)頻率的優(yōu)化，該項(xiàng)目不僅在設(shè)計(jì)階段就展現(xiàn)了對(duì)細(xì)節(jié)的深入考慮，而且在實(shí)際施工和后期測試中也證明了其超出標(biāo)準(zhǔn)的性能。這些成果不僅提升了超高層建筑的安全性和舒適性，同時(shí)也為同類建筑提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因此，性能化設(shè)計(jì)在高層建筑領(lǐng)域的推廣具有重要意義，可為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可持續(xù)、安全、有效的解決方案。