基于性能化设计方法的某超高层建筑结构设计.pdf

2023年第9期（总第429期）工程设计近年来，高层建筑的崛起在世界各地的城市建设中展现了无限的创造力。标志性的特色建筑以其惊人的高度、复杂的形态和多用的功能引人注目。高层建筑作为城市发展的标志，不仅提高了土地利用率，也为人们提供了独特的空间体验1。然而，高层建筑设计在结构安全性和节能环保等方面也面临许多挑战，因此，致力于性能化设计方法是确保高层建筑性能可靠、结构稳定的重要途径。本文结合实际的超高层建筑设计项目，采用性能化设计方法，聚焦于设计条件、高层建筑结构方案以及性能化分析等关键方面，以期为高层建筑设计领域的进一步发展和实践提供有益的参考。1工程概况XY超高层建筑位于某地级市商圈核心位置，作为该地区的地标性建筑，该项目旨在突显城市的现代化形象和经济实力。项目地点得天独厚，享有秀丽的城市景观和便捷的交通，将为城市增添独特的城市魅力。该项目是一个集商业办公、商业零售、多功能娱乐、精品公寓、五星级酒店于一体的复合型地产项目，主体建筑高度为116.5m，地上30层，地下3层，建筑占地面积8250m2，总建筑面积157860m2。XY超高层建筑采用现代、创新的建筑风格，通过流线型的外观和独特的建筑造型，将成为城市的视觉焦点。结构类型为框架剪力墙结构体系，通过结构分析和创新设计，确保建筑稳固性和安全性。2高层建设结构设计方案2.1竖向承重结构竖向承重结构首先需要确保建筑的稳定性和安全性。竖向承重结构在高层建筑中起着至关重要的作用，它负责将垂直荷载从顶部传递到基础，并确保整个建筑的稳定性和承载能力2。建筑下部的15层为多功能娱乐和商业零售，615层为商业办公,1630层为星级酒店和精品公寓。商业部分需要开阔空间，根据功能要求和受力情况，结构类型采用框架剪力墙结构体系。15层的柱距设计为8.8m8.8m，楼梯间四周设置框架柱，剪力墙布置在电梯井处；630层的柱距设计为7.5m7.5m，转角处设置剪力墙。首层柱网结构布置如图1所示。基于性能化设计方法的某超高层建筑结构设计王渊(内蒙古自治区本级政府投资非经营性项目代建中心，内蒙古呼和浩特010000)摘要：针对超高层建筑设计的安全性问题，结合实际工程项目，分析基于性能化的高层建筑结构设计方法。根据功能要求和受力情况，竖向承重结构采用框架剪力墙体系，水平承重结构地上部分采用肋梁楼盖，地下车库采用无梁楼盖。对建筑结构设计进行性能化分析，小震作用下最小剪力系数为0.0083，最大层间位移角为1/1585；中震作用下最小剪力系数为0.0247，各层未出现应力超出混凝土抗拉极限的情况；大震作用下最小剪力系数为0.0568，最大层间位移角为1/275，均符合设计要求，结构设计合理。关键词：超高层建筑；结构设计；性能化分析中图分类号：TU972+.9文献标识码：A文章编号：1001-6945（2023）09-77-03图1 首层柱网布置2023年第9期（总第429期）工程设计2.2水平承重结构水平承重结构在高层建筑中起到抵抗风荷载、地震力和水平振动等横向力的作用。通过结构分析和优化，水平承重结构能够有效地抵抗外部横向力，同时与竖向承重结构相互协调，形成一个稳定、安全和功能完备的建筑体系。地上部分采用肋梁楼盖，地下车库采用无梁楼盖。15层梁、板布置图如图2所示，630层梁、板布置图如图3所示。3结构设计性能化分析结构设计的性能化分析是确保超高层建筑的安全性、可靠性和适应性的关键环节。在设计过程中，需要综合考虑多种情况，尤其是地震作用下的性能，按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防原则进行分析3，使用专业的工具和方法评估建筑结构的性能表现。3.1小震作用下的性能分析小震，震级在3.03.9 之间，要求层间位移角小于1/800rad，所有部位的变形均应是弹性变形4。小震作用下的性能分析采用YJK计算软件，计算参数如表1所示。表1 小震作用分析的计算参数参数类别振型数跨高比刚度折减系数阻尼比抗震设防烈度地震分组基本特征周期基本地震加速度场地类别周期折减系数风荷载设定值结构总质量的90%4.00.70.056度第1组0.35s0.05g类0.70.3kN/m23.1.1层剪力和剪力系数根据 高层建筑混凝土结构技术规程 4.3.12,抗震设防烈度为6度且基本特征周期为0.35s的地区，楼层最小地震剪力系数值为0.008。XY超高层建筑的各层剪力和剪力系数如表2所示。表2 小震作用下各层剪力和剪力系数值楼层123452627282930X方向剪力/kN9405.039064.738422.647568.136837.431281.941181.461071.081034.381026.00Y方向剪力/kN11462.3211087.5410571.179698.398647.401587.411394.011189.661044.261031.00X方向剪力系数0.00830.00870.00890.00910.00930.03970.04130.04320.04510.0473Y方向剪力系数0.00930.01000.01050.01080.01100.04360.04570.04740.04920.0521剪力系数曲线如图4所示。由表2数据以及图4可知，第一层的剪力系数最小，X方向数值为0.0083，Y方向数值为0.0093，均大于规范规定的最小地震剪力系数值0.008。随着楼层数的增加，剪力系数逐渐增大，因此，该超高层建筑的结构设计在小震作用下，符合规范要求。3.1.2结构位移及层间位移角小震作用下各层位移和层间角如表3所示。表3 小震作用下各层位移和层间角楼层123452627282930X方向层间位移/mm0.611.011.271.421.651.371.311.251.211.17Y方向层间位移/mm0.570.911.111.181.291.421.391.371.311.27X方向层间位移角1/98671/50061/39401/35311/33321/26891/27341/28721/31411/3472Y方向层间位移角1/78451/54971/45081/42431/42661/22611/23131/23471/23951/3346规范规定，层间位移角不得大于1/800。表3数据显示，X方向最大层间位移角出现在16层，数值为1/1585；Y方向最大层间位移角出现在20层，数值为1/2134，均小于1/800，符合设计要求。图3第630层结构布置图图2第15层结构布置图图4小震作用下各层剪力系数2023年第9期（总第429期）工程设计3.2中震作用下的性能分析中震的震级在4.05.9之间，震感较强，能够感受到建筑物和人造构筑物的震动。在中震作用下，要求关键部位构件，如底部加强区剪力墙、框架柱，在剪力作用下仅产生弹性变形，压弯和拉弯不能达到屈服极限。而一般部位的连梁、框架梁等，允许出现抗弯屈服，但在剪力作用下不能达到屈服极限5。计算参数如表4所示。表4 中震作用分析的计算参数参数类别刚度折减系数阻尼比周期折减系数设定值0.50.061.0注：其他参数同表1。XY超高层建筑在中震作用下的各层剪力和剪力系数如表5所示。表5 中震作用下各层剪力和剪力系数值楼层123452627282930X方向剪力/kN25534.5224588.2622728.4720567.4218785.703312.562946.742751.432557.482114.95Y方向剪力/kN30505.0329610.3927774.5825368.3922782.204392.844006.253623.183224.772584.56X方向剪力系数0.02470.02510.02570.02650.02690.10670.11110.11530.11950.1255Y方向剪力系数0.02630.02640.02740.02810.02900.11850.12090.12620.12980.1315中震作用下的剪力系数曲线如图5所示。由表5数据以及图5可知，第一层的剪力系数最小，最小为0.0247，大于规范要求的0.024。随后逐层增加，最大值为0.1315，出现在顶楼的Y方向。进一步计算表明，各层未出现拉应力超出混凝土抗拉极限的情况，结构设计满足中震作用下的性能设计目标。3.3大震作用下的性能分析大震的震级在6.0以上，震感极强，能够造成建筑物倒塌，对人民生命和财产安全造成极大威胁。大震作用下的性能分析在于评估建筑结构在极端情况下的响应和性能表现，计算参数如表6所示。表6 大震作用分析的计算参数参数类别刚度折减系数阻尼比基本特征周期周期折减系数设定值0.30.070.4s1.0注：其他参数同表1。在大震作用下的各层剪力和剪力系数如表7所示。表7 大震作用下各层剪力和剪力系数值楼层123452627282930X方向剪力/kN63387.5161057.4756395.6350894.6846231.9314584.3513528.9612429.7311147.869493.05Y方向剪力/kN75570.9773379.8668731.5862569.3955868.4518494.0817491.2216145.0214333.3211961.61X方向剪力系数0.05680.05750.05870.05940.06180.21100.22130.22720.23550.2437Y方向剪力系数0.06120.06540.06790.06930.07100.25180.26570.27440.28520.2921大震作用下的剪力系数曲线如图6所示。由表7数据以及图6可知，第一层的X方向剪力系数最小，数值为0.0568，大于规范规定的最小地震剪力系数值 0.056。随着楼层数的增加，剪力系数逐渐增大，至30层时，Y方向取得最大值0.292。因此，该超高层建筑的结构设计在大震作用下，符合规范要求。大震作用下各层位移和层间角如表8所示。表8 大震作用下各层位移和层间角楼层123452627282930X方向层间位移/mm5.586.016.287.478.946.959.338.897.716.95Y方向层间位移/mm6.216.766.867.067.286.278.037.417.146.27X方向层间位移角/rad1/10471/9651/7721/6671/6271/4211/4551/4771/5281/551Y方向层间位移角/rad1/13801/11831/9441/8121/7511/5501/5711/5951/6131/645规范规定，层间位移角不得大于1/100。表8数据显示，X 方向最大层间位移角出现在(下转第82页)图5 中震作用下各层剪力系数图6 大震作用下各层剪力系数2023年第9期（总第429期）工程设计3.5专用存放架板的起拱是个逐步形成的过程，可采用专门的存放架进行存放，抑制板的起拱，如图3所示。在板的堆放区域放置4根竖向钢管，即图中钢管2，设置穿过板底紧贴板底面的横向钢管（钢管1下部2根钢管），在上层板面设置穿过板面且紧贴的2根钢管（钢管1上部2根钢管），再通过钢管3将所有钢管连接为一个整体，钢管之间连接通过活动卡扣的形式连接，可调节连接点。完成后，因上下层钢管紧贴板面，当板起拱时，对钢管1上部2根钢管形成向上的推力，然后传递给钢管2，再施加到钢管1下部的2根钢管，而钢管1下部的两根钢管因叠合板自重无法移动，从而可对起拱进行抑制，待底板混凝土强度上升达到设计强度时，拆除钢管。该方法易于操作，且成本较低。4结语本文针对钢管桁架预应力混凝土叠合板的起拱原因从构造、生产等多方面进行分析，主要讨论起拱产生的危害，并通过改变构造、更换生产用原材料、外部存放控制等多个措施提出了相应的解决办法，对叠合板起拱进行预防。但亦存在不足，关于影响起拱的各个因素并未进行量化分析，下一步应针对各个起拱影响因素进行参数化分析，找出最不利因素，并提出针对性改进措施。参考文献：1张玉明,陈丽洁,邓馨雨,等.预应力混凝土钢管桁架叠合板施工阶段性能分析研究J.建筑技术,2023,54(11):1354-1358.2钟巍健.浅谈钢管桁架预应力叠合板的应用J.工程质量,2023,41(S1):182-184+191.3邵叶.预应力钢管桁架混凝土叠合板起拱的有限元分析J.安徽建筑,2023,30(05):80-82.4李志,田斌,邵志兵,等.预应力混凝土钢管桁架叠合板现场实施应用J.建筑施工,2022,44(08):1795-1799.收稿日期：2023-7-23作者简介：丁磊，出生于1992年7月，男，安徽合肥人，毕业于安徽建筑大学结构工程专业，硕士研究生，主要从事装配式建筑设计与研发。图3 专用存放架(上接第79页)18 层，数值为 1/275；Y 方向最大层间位移角也出现在 18 层，数值为 1/351。大震作用下，未出现坍塌的情况，满足大震不倒的抗震设防目标。该超高层建筑X方向的最大顶点位移为282.7mm，Y方向最大顶点位移为247.86mm，分别为建筑总高度的1/411与1/475，均小于1/100，符合设计要求。4结语结合某超高层复合地产项目，分析基于性能化的高层建筑结构设计方法，得到如下结论：（1）建筑竖向承重结构采用框架剪力墙体系，水平承重结构，地上部分采用肋梁楼盖，地下车库采用无梁楼盖。（2）小震作用下，最小剪力系数为0.0083，最大层间位移角为1/1585，均符合规范要求。（3）中震作用下，最小剪力系数为0.0247，各层未出现应力超出混凝土抗拉极限的情况，设计满足中震作用下的性能设计目标。（4）大震作用下，最小剪力系数为0.0568，最大层间位移角为1/275，均符合设计要求。参考文献：1肖从真,李建辉,孙超,等.超限高层结构抗震性能化设计方法探讨J.建筑结构,2022,52(21):8-13.2蒋新新,李梦琪.某超高层建筑结构抗震性能分析与抗震构造措施J.低温建筑技术,2021,42(06):86-90.3戴云景,刘金凤,常士奇.帝华商务办公楼A座超高层结构设计J.建筑结构,2022,52(S2):80-84.4胡庆涛.超高层建筑结构设计问题及对策研究J.城市建设理论研究(电子版),2023,439(13):143-145.5周泽宇,梁子彪,林瑶明,等.狭长平面超高层结构设计及抗震性能分析J.广东土木与建筑,2023,30(02):40-43+107.收稿日期：2023-7-8作者简介：王渊，出生于1990年2月，男，内蒙古呼和浩特人，蒙古族，本科，工程师，从事建筑设计工作。82