超限高层建筑结构设计分析.pdf

1512023年9 月江西建材规划设计与建筑超限高层建筑结构设计分析何康，陈如1.杭州元成规划设计集团有限公司，浙江杭州310016;2.浙江省省直建筑设计院有限公司，浙江杭州310030摘要：文中对超限高层建筑结构设计进行研究，分析了超限高层建筑结构的特点以及类别，总结了超限高层结构设计方案，并结合实际案例，分析设防地震作用下、多遇地震作用下超限高层建筑结构抗震性能，旨在为超限高层建筑工程设计提供一些理论依据。关键词：超限高层；结构抗震设计；多遇地震；案例分析中图分类号：TU318文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 9-0 15 1-0 3Structural Design Analysis of Overlimit High-Rise BuildingHe Kang,Chen Ru?1.Hangzhou Yuancheng Planning&Design Group Co.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310016;2.Zhejiang Provincial Architectural Design Institute Co.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310030Abstract:This paper studies the structure design of the high-rise building,analyzes the characteristics and categories of the high-risebuilding structure,and summarizes the design scheme of the high-rise building.Based on practical cases,this paper analyzes the seismicperformance of over-limit tall buildings under fortification and frequent earthquakes.The aim is to provide some theoretical basis for theengineering design of overlimit high-rise buildings.Key words:Over-limit high-rise;Structural seismic design;More earthquakes;Case study0引言超限高层建筑是指超出国家现行规范和规定适用高度或适用结构类型的建筑工程，或是依据相关要求应进行抗震专项审查的高层建筑，通常简称为超限建筑1。站在建筑结构的合理性角度来看，任何超限建筑都不是完美的，究其原因，其结构设计不安全，稳定性和抗震能力大大低于合规建筑，且这种超限建筑往往成本较高2 。但从现实情况看，传统的高层建筑结构形式已经无法满足人们对建筑功能及审美的需求，而超限高层建筑则具有传统高层建筑不具备的功能多样、外观独具特色等优点，完美匹配了人们对高层建筑的需求。此外，超限高层建筑还具有视野开阔、楼层污染少等优点，因此，现如今超限高层建筑越来越多3。从某种意义上来讲，超限高层建筑的出现不仅满足了人们对建筑结构以及功能的全新要求，也是时代不断发展的必然产物。因此，针对超限高层建筑展开深入研究，具有十分重要的现实意义。超限高层结构设计方法1.1超限高层结构设计基本内容超限高层建筑的共性特征：结构高度通常超过规范的适用高度，结构布置超过相关规范，结构体系超过规范适用类型，某个方面或多个方面与规范设计不符。传统的抗震设计方法以构造措施为基础，在大地震作用下，以小震承载力为基础的计算方法难以满足超限结构的设计要求，基于性能的抗震设计方法则可以满足超限结构的各个方面的要求，如建筑高度、规则性、设防标准等。因此，基于性能的抗震设计方法适用于超限高第一作者：何康（19 9 2-），男，浙江江山人，本科，工程师，主要研究方向为建筑结构设计。层建筑结构设计。从抗震概念设计的需求出发，结合超限高层建筑的特性，基于性能化的抗震设计方法的基本内容如下。（1）不同地区的抗震设防标准和地震动参数不同，需选择合理的地震动参数，预测不同水平地震作用的影响。（2）结构性能分级以及结构抗震性能目标选择。基于性能的抗震设计既要确保用户的人身安全，又要通过相应的方法将建筑的震害控制在合理范围之内4 。在抗震设计过程中，对结构进行性能等级划分，并依据客户的概念需求、建筑超限等因素，选择适当的结构性能目标，使得结构可以在不同的抗震设防标准下，实现预定的性能水平。（3）根据不同的性能水准选择合适的性能指标以及分析方法。要实现预定的性能目标，就必须对结构的设计指标进行控制，例如，在不同水准的地震作用下，结构构件的承载力、刚度比等指标都必须满足规范要求。1.2超限高层分析方法（1）弹性对比分析：采用两种空间结构分析模型，计算对比分析多遇地震作用下结构抗震性能。采用振型分解反应谱法，按总刚、全楼弹性板假设，对多遇地震作用下，考虑偶然偏心和双向地震扭转耦合效应，并按最不利控制原则，进行多遇地震动作用下的抗震设计。在进行位移比计算时，考虑偶然偏心作用，按照分块刚性、弹性楼板两种假设进行计算5 。（2）弹性时程分析：利用SATWE中的时程分析方法，结合反应谱法对结构进行包络设计。（3）楼板应力分析：采用MadisBuilding软件对楼板的受力进行计算。为保证小地震时楼板结构具有一定的弹性，遇大地震时，楼板钢筋不发生屈服和剪切损伤，需对开洞区域楼层结构进行受力分析。152规划设计与建筑2023年9 月江西建材（4）静力弹塑性分析：利用PUSHOVER程序进行有限元数值模拟，研究结构在强震作用下的弹塑性变形，明确结构在强震作用下的弹塑性发展情况，确定结构薄弱位置6 。2超限高层结构设计案例分析2.1工程概况本工程项目位于北京，是一幢集商业、酒店、影院、办公为一体的综合性高层建筑。其中，办公楼地上部分为2 5 层，层面结构高度为10 0.5 m，另有裙楼地上6 层，层面结构高度为37.5 m。结合建筑的功能要求，该办公楼6 层以下为商业办公楼层，建筑占地面积共计为2 5 5 0 0 m，建筑总面积为117600m。建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为5 0 年。本工程抗震设防烈度为7 度，场地类别为IV类，工程设计地震加速度值为0.10 g，考虑到本工程的商业区总面积已经超出了GB50223一2 0 0 8 建筑抗震设防分类标准规定的设防类丙类建筑面积的范围，因此，将该楼层的抗震设防类别定义为重点设防乙类建筑。基于此，针对标高在36.9 m以下，即6 层以下的楼层结构应按照8 度抗震措施来进行设防，相对应的办公楼商业区楼层抗震等级为一级，6 层以上的楼层按照7 度抗震措施进行设防，对应的抗震结构等级为二级。2.2超限情况分析本工程在前期规划设计时，采用了厚板桩筏基础，并未设置沉降缝，地面部分则通过设置变形缝将办公楼和裙楼隔离成为两个独立的结构单元。其中，在变形缝的左边为高层办公楼，采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，右侧则采用钢筋混凝土框架结构体系。结合该建筑的商业功能定位以及流线要求，办公楼建设过程中多个楼层楼板开洞以及竖向层高存在着较大的差距，造成建筑结构在平面以及竖向上的不规则性。平面规则性方面，依据现行的GB5001一2 0 10 建筑抗震设计规范（以下简称规范），该建筑属于平面不规则建筑。商业楼二层楼板典型宽度为2 5.5 m，因安装自动扶梯，楼板宽度为16.5 m，开洞宽度占到了该方向典型宽度的6 4.7%，超出了规范要求的5 0%。此外，商业楼5 层开洞宽度也达到了13.5m，显然也超出了5 0%的限定要求，因此，该建筑属于平面不规则建筑。从竖向规则方面分析，通过平面规则判断标准可以看出，由于该工程的楼板已经开洞，并使用了轴线穿层，因此，已经形成了局部的竖向不规则，且电影院楼层去层高达到8.8m，通过计算分析可以得知，该楼层的侧向刚度平均值不满足规范要求，因此，本文认定该工程项目属于“竖向不规则”，具体见表1、表2。表1高度超限判别高度限值/m结构结构体系高宽比A级高度B级高度高度/m下部剪力墙-上部框架剪力墙（带桁架100.5100.5/20.0=5.03转换）表2结构规则性判别超限不规则类型超限类别判定扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2有组合平面细腰形或角部重叠形有侧向刚度不规则相邻层刚度变化大于7 0%或连续三层变化有大于8 0%（续表）超限不规则类型超限类别判定竖向构件位置缩进大于2 5%，或外挑大于尺寸突变有10%和4 m竖向构件不连续上下墙、柱、支撑不连续，含加强层、连体类有承载力突变相邻层受剪承载力变化大于8 0%有局部穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或其他不规则有转换存在7 项不规则类型，属于“特别不规则”结构2.3设防地震作用下抗震性能验算基于结构在设防地震动下的抗震性能指标要求，开展结构在中震作用下的屈服判定，分析结构在中震作用下的抗震性能7 本项目的结构平面呈“L”字形，将0 9 0 4 5 135 的地震作用计算结果进行比较，如图1、图2 所示。7000-0/90X方向地震作用下的楼层剪力45/135X方向地震作用下的楼层剪力60005000400030002000100001481216楼层/层图1地震作用下X方向楼层剪力6000一0/9 0 Y方向地震作用下的楼层剪力一4 5/135 Y方向地震作用下的楼层剪力5000N/镇400030002000100001481216楼层/层图2地震作用下方向楼层剪力由图1、图2 可知，在0 和9 0 的地震荷载下，无论X向还是Y向楼层剪力，都要大于在4 5 和135 所求的底部剪力。为此，本文选取0 和9 0 为反应谱地震作用输入方向。2.4罕遇地震弹塑性动力时程分析本文使用Perform3D三维非线性结构分析软件，采用弹塑性时程分析法，获得结构反应的时间历程，并对结构的破坏情况进行判定，对结构层间位移角进行验算。通过对规范中有关指标的分析，可以确定结构能否达到“大震不倒”的抗震设防标准。本文梁柱结构为纤维杆件，剪力墙结构为纤维截面壳单153上接第15 0 页）上接第14 8 页）2023年9 月规划设计与建筑江西建材元，地震波选择RG2人工波，DZ1、D Z 2 天然波，进行弹塑性时程分析。每个地震波形由3个方向组成，即2 个水平方向和1个竖直方向。X方向弹塑性层间位移角为1/5 4 6，Y方向弹塑性层间位移角为1/2 7 1，均小于规范限值1/10 0】的要求。通过以上分析可知，剪切力大的墙体，约束边缘构件配筋率不得低于1.5%，并将水平钢筋的配筋率提高到0.6%，从而改善其延性。将约束边缘构件上、下两层作为过渡层，并对过渡层加强配筋。剪力过大的连梁，应提高其配箍率，以符合“强剪弱弯”的抗震设计要求。3结语本文对某超限高层建筑多遇地震作用的情况进行计算分析，对建筑结构进行安全评估，为超限高层建筑工程设计提供理论依据。超限高层建筑高度超限、平面不规则、结构体系不规则，传统设计方法很难应用于其抗震分析，而基于性能化的设计方法可以很好地应用于超限高层建筑抗震设计，满足结构的共性和个性要求。（1）区域建筑负荷预测随机模型能够避免区域规划阶段存在的不可预知问题与可能存在的意外，提出了新的建筑能源规划思路与方法，给出了关于预测区域负荷峰值的低情景、常规情景、基准推荐值区间值的方法。（2）根据随机预测模型能够计算得出建筑峰值冷负荷的累计概率分布和频数，防止发生电力、能源供应系统大容量设备问题，给设计工作与管理人员提供了坚实的技术支持。（3）传统负荷指标法计算出5 3.3MW为A分区的冷负荷，与其相比，通过本文所用方法得出的冷负荷减小了6%，均值减小了2 0%。参考文献1李信仪.居住建筑区域能耗模型研究【D.重庆：重庆大学，2018.根据图2 可知，随着拼接施工时间的逐渐延长，每一横梁的剪力都呈下降趋势，说明在施工过程中，横梁拼接处的截面错动变形逐渐减小，在所选三道横梁中，靠近支点的横梁剪力相对较大，而在梁端横梁剪力最小，且三道横梁剪力较为接近，说明该桥梁拼宽方案可以保证稳定的横梁剪力变化，且不会发生严重的错动变形。3结语本文研究改扩建公路预应力空心板桥梁拼宽设计，针对所选旧桥项目进行改扩建施工，在旧桥符合拼宽条件的基础上，利用同跨径、同结构形式预应力空心板，对原桥面进行拼宽设计及施工，使桥梁在现行规范载荷下的通行能力得到较大提升。同时，利用模拟仿真试验对改扩建方案的效果进行了验证，获取其运行后的桥梁性能变化。未来可在此基础上，继续优化桥梁拼宽方案，使桥梁具有更高的安全性。参考文献【1】井彦青.日照海韵广场1 塔楼超高层结构抗震设计J.建筑结构，2 0 2 0，5（11)：10-14，6 3.2 王建涛，伍晓红，孙清.超限径厚比下高强薄壁钢管混凝土柱抗震性能研究J】.西安交通大学学报，2 0 2 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