超高层办公建筑结构设计分析.pdf

中国厨卫超高层办公建筑结构设计分析杨 凯（中合一工程设计有限公司，安徽 合肥）摘 要 文章以某超高建筑为例 阐述了其基本情况 结构体系与具体布置 并针对其中的超限情况作出性能分析 确定了具体的设计目标 经过计算 得到该建筑的各项结果都能实现预期性能目标 且完全符合规范要求 其超限审查也顺利过关 同时 针对项目中的设计难点 进行了专项分析处理 为日后设计同类的工程提供参考 关键词 框支剪力墙 超高层建筑 性能化设计中图分类号 收稿日期：作者简介：杨凯（），高级工程师，研究方向为建筑工程。工程概况某商住综合项目包括超高层住宅 栋（楼）、普通多层住宅 栋（楼），另外还有商业裙房与地下车库。该项目的用地面积总计约 万平方米，其建筑面积合计约 万平方米。由于建筑的具体使用要求，再考虑到结构设计的合理性，需要通过设置抗震缝的方式，将整个建筑分为较为规则的多个结构单元。项目中的、楼与、楼，结合下部 层裙房共同组建成多塔结构单元。其中 楼上部设有 层塔楼，均采用标准层高 ，其结构设计高度为。因其高宽比为，属超高结构中的超 级。该项目的基准期设计为 年，场地类别 类，地震分组为第一组，抗震设防类别为标准、烈度为 度。由于高层建筑对风荷载比较敏感，年一遇风压采用的是基本风压为 。在设计其承载力时，选择的是 倍基本风压。将地面粗糙度设定为 类。由于该项目中存在多栋超高层建筑，且其相互间的距离并不远，需对风力相互干扰而产生的群体效应加以考虑。依照荷载规范，该项目中取相互干扰系数为。结构基础设计 基本情况及加强措施由于场地整体呈西低东高走势，需要逐级分台，因此塔楼不设地下室，且存在局部掉层，致使结构出现单侧挡土现象。针对这些情况制定了以下措施。（）在所有接地端基顶采用基础梁与结构底板，要求板厚至少为 。（）为强化高层塔楼结构中基础的嵌固效果，塔楼均选择桩基础形式。所有超高楼要求塔楼平面四角处的桩基础嵌岩深度至少为 ，且不小于 倍桩径。（）将外围地梁截面按 的标准做加大处理，以强化地基对基础形成的约束效果。同时，对基础嵌固的有效性、抗滑移性和抗倾覆性展开分析。计算分析 抗滑移性能验算验算中，对于水平滑力，是以罕遇地震作用标准值为基础，再加上结构挡土侧压力，取的是二者之和。抗滑力，其中的竖向荷载 直接取其恒载值。为了确保安全，基底摩擦系数 取为。经过计算所得结果见表，最终确定结构抗滑移验算结果为安全系数可达。抗倾覆性能验算分别按百年一遇风荷载条件与罕遇地震状态下，展开抗倾覆性能验算。所得结果具体见表。结构在两种情况下的抗倾覆性能均能够符合要求，且基底未见零应力区，确保其拥有足够的安全度。基础嵌固有效性分析选择 软件对结构桩与岩土在水平荷载作用中国厨卫 城市规划与管理 年 期 下的受力特性展开分析。岩、土体材料选择摩尔库伦本构。基础顶点在大震作用下，产生的位移约为 ，其变形程度能够符合结构的基础嵌固要求。依照 计算得到的桩弯矩还有剪力，对桩配筋情况展开计算。表 抗滑移验算结果基底剪力 风荷载作用下罕遇地震作用下结构挡土侧压力 竖向荷载 抗滑力 安全系数 表 最不利条件下抗倾覆验算结果工况倾覆力矩 （）抗倾覆力矩 （）比值 零应力区（）向大震（）结构布置及超限设计 结构布置楼中除下部 层用作车库外，其余的 层全都是住宅，结构选择的是部分框支剪力墙，结构在第 层设置转换层。框支柱砼强度为，截面尺寸按 或者 进行布置。加大框支柱内钢筋砼芯柱体积，将芯柱截面尺寸设计为 或者 。而转换梁所采用的截面尺寸为从 加大至 。剪力墙的实际长度、厚度则取决于设计强度以及抗侧力刚度，同时还要兼顾楼层上下的刚度比取值，厚度也从 逐步降低至 。结构超限设计规则依照超限高层建筑项目抗震设防性能专项审查技术要点中的相关规定，对楼各项超限内容做出具体设计如下：建筑的 级高度上限为 ，而该工程中，楼建筑结构高为 ，属于 级超高；结构选择为部分框支剪力墙，抗侧力构件有间断；楼、楼、楼、楼通过底部裙房连在一起，形成一体式大底盘多塔结构；底部掉层结构竖向呈现不规则整体，主体高度超限。抗震设计目标、等级与性能依照工程的结构功能、场地条件还有构件重要性，再加上对经济因素的考量，最终将 楼建筑的结构性能等级设定为 级，抗震设计中具体控制标准见表。表 抗震性能设计目标抗震烈度小震中震大震抗震性能目标 级 级 级结构性能水平水准 水准 水准 层间位移角极限构件性能关键构件耗能构件竖向构件楼板底部加强区剪力墙框支梁、框支柱框架梁墙体连梁其它区域剪力墙、柱弹性抗剪弹性，压弯、拉弯不屈服弹性抗剪不屈服允许进入塑性状态不屈服不屈服不屈服不屈服进入塑性形成塑性铰，防倒塌最早进入塑性，允许弯曲形成塑性铰，满足抗剪截面控制要求，破坏可修复，保证生命安全 小震条件下的规范层间位移角极限应该为，对 级超高建筑做适当提升后，设定为；中震条件下对层间位移角极限的要求是变形不超过弹性变形极限的 倍即可，故设定为；大震条件下对层间位移角极限的要求是变形不超过弹性变形极限的 倍，故设定为。针对结构超限的设计措施 计算分析依照结构超限情况还有项目的性能设计目标，计算分析内容包括以下内容。（）小震弹性反应谱。选择两种不同力学模型分析程序对超限建筑的空间结构展开计算，并将所得结果相互校核，判断分析结果正确与否。（）小震状态下的弹性时程。校核结构中的地震反应，构件的应激内力及产生的位移。将所得结果取均值后，与采用振型分解反应谱法算出的结果相比，取其中的较大值，据此设计后续施工图。（）中震及大震状态下的等效弹性反应谱。依照性能目标针对关键构件，譬如框支柱、转换梁以及落地剪力墙的承载力展开验算。对几个部位的结构楼板展开应力验算，具体包括掉层结构中的上接地层楼板、大底盘多塔结构中的裙房屋面楼板还有转换层楼板。（）大震状态下的弹塑性时程。通过对罕遇地震条件下建筑结构展开弹塑性分析，验证建筑物的整体位移程度及其城市规划与管理中国厨卫 中国厨卫相关构件是否能够符合预定的性能目标，并确定可能存在的薄弱层或者薄弱部位具体位置。（）依据框支、框架中各自实体单元的具体情况，选择相应的模拟转换结构，按有限元模式展开实体分析，对计算出来的构件内力结果加以校核。构造强化（）框支剪力墙结构。底部剪力墙及转换柱受到为一级抗震，配筋设为特一级；在转换柱内部额外增设芯柱，并将其配筋率设定为 ，别的构造设定为一级抗震。转换层板配筋率下限为 ，厚度加至 。（）剪力墙中的约束边缘构件要求上延至轴压比达到 的楼层。（）底盘结构高为 ，在 楼板、楼板设双向双层通长配筋，要求板厚为 ，将配筋率下限升至 。塔楼四周连接裙房的柱体，分布在裙房屋面相邻上下一层，将纵筋配筋率下限加大 ，并在全高范围内加密箍筋。（）底部掉层。上接地层结构楼板要求 厚，在延至地坪后，要连至基础顶，楼板设置双层双向通长配筋，依照楼板应力验算所得结果，将最小配筋率上调至 ；对掉层与其上相应区域之间的刚度比还有抗剪承载力比展开验算。敏感性分析针对项目中的大底盘四塔结构，建立相应的计算模型，再为 楼建立一个单塔独立模型，将二者计算结果进行对比，发现 楼建筑采用单塔模型计算出来的主要指标，周期、位移以及位移比的吻合度均更好。因此，在分析 楼结构整体指标时，可以选择单塔模型来完成。不过，在设计施工图时，配筋的依据选择还是由单塔和多塔算出来的结果包络值。抗震设计与相关分析 小震条件下的弹性反应谱选择两种不同程序展开计算，将结果相互校核（见表），保证各性能能够符合规范及目标要求。表 结构主要指标项目 结果 结果周期平动扭动最大位移角（风荷载）（风荷载）控制框架所承倾覆弯矩比（）最大位移比刚重比（稳定性）验算结果 小震条件下的弹性时程依照结构周期、场地类别还有抗震设防标准，以地震波谱与规范吻合，且前三阶振型周期点未见超过 差距为标准，选出天然波 条、人工波 条。时程曲线给出的结构底部剪力具体情况见表。在各条波时程曲线作用下，基底两个主向剪力超过了规范谱计算结果 ，且基底剪力平均值超过了规范谱的 。即选定地震波足以符合规范要求。表 基底剪力（弹性时程分析）时程分析基底剪力 方向 方向比值（）方向 方向规范谱 单条波最小值 平均值 从时程分析得到的计算结果来看，与振型分解反应谱法所得结果差别不大，说明以振型分解反应谱法展开计算具有合理性。后续直接按弹性时程展开分析，依据多条波均值与 法形成的包络值对各楼层剪力进行适当的调整。中震及大震条件下的等效弹性依照高层建筑砼结构技术规程中第 节，与结构抗震设计相关的要求，需对构件在中震及大震条件下的承载力展开复核。选择等效弹性法对结构内力展开计算，通过对结构周期折减系数还有结构阻尼比的调整，将中、大震条件下结构的刚度退化情况进行模拟，所得计算结果见表。表 大震剪力的计算结果嵌固端剪力 向地震作用 向地震作用嵌固端剪力与小震条件下比值 向地震作用 向地震作用中震大震中震条件下，底部剪力达到小震条件下剪力的 倍；大震时，则为小震时的 倍，仍然没有超出合理范畴。中震条件下，层间位移角允许的极限为，大震条件下层间位移角允许的极限为，均未超过性能目标极限。依照框支柱当中截面、配筋的实际情况，将承载力 三维曲面绘制出来，经验算，构件承载力全都能与预设性能目标相符。中国厨卫 城市规划与管理 年 期 大震条件下的动力弹塑性时程、方向上分别选用天然地震波 条、人工地震波 条，在大震条件下分析构件的弹塑性动力时程。经分析，基底剪力的弹塑性与弹性比值在 之间，未超出合理范围。从分析结果来看，罕遇地震条件下，结构周期有所增长，刚度有所退化。底部弹塑性剪力也有所降低。此时，上部构件出现的屈服，引发了塑性变形，耗散了一部分地震能量。在 向地震作用下，层间位移角允许的极限为（位于 层），向地震条件下，层间位移角允许的极限为（位于 层），能够与规范中对于大震下位移角不允许超过 的性能目标相符。在大震条件下，大多楼层都产生了轻微受压损伤，底层有的剪力墙砼还产生了轻微的受压损伤，塔楼甚至有的连梁受到破坏无法继续使用，其整体的耗能机制较好。综合而言，在大震下，结构整体未见明显塑性发展，未见明显薄弱层，所有构件性能均与目标相符。耗能比例最高的是梁，紧随其后的是墙柱以及框架柱。说明结构中形成的屈服耗能机制基本合理，受力状态具备“二道防线”特点，能够符合抗震设计的基本原则。框支、框架中实体单元特点由于框支转换梁中存在复杂的受力关系。为验证其安全性，选择 为转换层建立三维实体有限元模型，并展开实体分析。从计算结果来看，因框支梁截面相对较高，所以转换梁弯矩比普通模型要小一些，框支梁受力特点类似于“拉杆拱”。依照这种受力特点，对框支梁腰筋做强化处理。结语由于文章中的 楼建筑高度超限，且选择的结构是部分框支剪力墙，因此竖向不规则。文章针对其中的超限情况展开了针对性的性能分析，提出了设计目标与具体设计措施，为日后设计同类的结构提供参考。参考文献 建筑结构荷载规范：北京：中国建筑工业出版社，郭明，郭宗明，郝晓强深圳塘朗 地块 超限高层结构设计与分析建筑结构，（）：刘鹏深圳某超高层建筑结构分析与设计建筑结构，（）：胡海涛，齐太阳，邹连杰，等武汉万达 办公楼超限高层结构设计建筑结构，（）：陈学伟，黄昌靛，张梅松，等深圳大百汇主塔楼结构设计与分析建筑结构，（）：（上接第 页）拌，施工人员要根据现场的施工工艺合理选择搅拌的方式。同时，现场的施工人员，要根据具体的施工流程来合理掌握建筑材料的使用量，并对其进行严格的管理和控制，这样才能够确保使用的建筑材料用量符合施工标准要求。此外，还需要对混合后的建筑材料的综合性能进行严格检测，以便于能够完全符合路基路面压实施工技术要求。这样才能够从根本上提升公路工程施工水平和施工质量。重锤夯实施工技术的应用在公路工程施工的过程中，需要采用重锤夯实技术来对路基路面进行压实。重锤夯实施工过程中，对施工设备的要求比较高，尤其是施工技术水平更是要能够完全符合施工标准的要求，才可以进行压实操作，提升路基路面的施工质量。结语在公路工程施工过程中，路基路面压实施工技术是非常重要的一项施工环节，能够对整个公路工程的施工质量起到决定性的影响。因此，施工单位必须要提高对路基路面施工的重视程度，严格管理并监督各个施工环节和施工工艺，只有这样才能确保路基路面压实施工质量能够符合施工标准的要求。因此，在进行现场施工时，需要对土壤含水量、地质特点、碾压工艺、压实设备等因素进行全面分析，根据实际情况选择合理的路基路面压实施工技术，推动公路工程行业的可持续发展。参考文献 尚欢欢 公路工程路基路面压实施工技术措施研究上海筱虞文化传播有限公司 （）（），：王兆荣关于公路工程路基路面压实施工技术的分析工程建设与设计，（）：崔英杰公路工程路基路面压实施工技术措施研究黑龙江交通科技，（）：温亚楠公路工程路基路面压实施工技术措施探讨中国设备工程，（）：吐尔逊尼亚子依斯买提公路工程路基路面压实施工技术工程机械与维修，（）：吴卓恒公路工程路基路面压实施工技术的实际应用价值研究黑龙江交通科技，（）：城市规划与管理中国厨卫