內蒙古某超限高層建筑的結構設計

周 登 峰

(中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200063)

內蒙古某超限高層建筑的結構設計

周 登 峰

(中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200063)

詳細介紹了內蒙古某超限高聳建筑的結構設計，針對結構超限,在結構布置、計算分析上作出了處理,實踐證明：處理后的結構具有較好的抗震性能，有關指標滿足規范要求，為類似工程提供了參考。

超限高層，結構設計，屈曲約束支撐

1 工程概況

本工程位于鄂爾多斯市罕臺鎮南側的鄂爾多斯孟克燭拉美食城內。結構總高148.9 m,底部鋼筋混凝土框架除首層展示廳直徑50 m，層高12.0 m(主塔27.70)外；主塔直徑25 m，二三層為婚慶大堂，層高5.40 m；四五層為辦公，層高4.50 m；頂層為設備用房，結構高52.90 m(室內外高差0.90 m)，其上鋼塔直徑10 m～7 m，設一部檢修電梯和檢修鋼梯，塔頂部4層，周邊外挑4.8 m～3.5 m，作為設備用房；頂部為13.68 m高的蒙古文化的象征裝飾品。地上建筑面積2 035 m2。設1層地下室，主要為設備用房如2配變電、水泵機房、消防水池、空調機組用房等，建筑面積2 035 m2。

建筑立面圖見圖1。

2 場地條件及地基基礎設計

本工程的建筑抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第三組，設計基本地震加速度值為0.10g，場地土類別為Ⅱ類。抗震設防類別為丙類建筑。設防烈度7度，鋼筋混凝土框架抗震等級為二級。

勘察場地位于鄂爾多斯市罕臺鎮南側的孟克燭拉美食城內，現地面經整平后較平坦，地面標高變化在1 493.07 m～1 496.16 m，施工條件較好。勘察場地區域屬剝蝕高原，微地貌屬寬緩起伏的丘陵頂部臺地。勘察期間，擬建場地內未見地下水，設計和施工可不考慮地下水的影響。

基礎形式為樁基筏板。底板厚為0.6 m，承臺高1.6 m。樁基采用φ700灌注樁,樁長15 m～22 m,樁基持力層樁端持力層為第④層強風化砂巖層，單樁豎向抗壓承載力設計值為2 000 kN。

3 上部結構分析和設計

3.1 結構布置及主要特點

本結構可以分為兩個部分。0 m～52 m為鋼骨混凝土部分，52 m～148 m為鋼結構部分。

塔底座采用鋼筋混凝土框架結構，并設置少量抗震墻。型鋼混凝土柱，首層采用型鋼梁(轉換框支梁為箱形梁)，組合樓板，其上部主要框架梁加強為型鋼混凝土梁。

鋼塔形式簡介：從建筑標高52 m以上部分。根據建筑需要和結構的受力形式，采用空間塔架結構形式。塔柱底部到拱形屋頂總高度為82.32 m，塔頂裝飾物高13.68 m。

塔架橫截面采用正八邊形結構形式。從標高52 m～67.26 m塔架根開為10.824 m。自67.26 m處開始變坡，到114.82 m處根開變為7.577 m并維持不變。

塔架頂部設置4層設備間，設備層標高分別為：114.82 m,119.32 m,123.82 m,128.32 m。設備間結構布置采用外伸三角形懸臂桁架形式。根據建筑要求尺寸，每層桁架從塔腿外伸的長度分別為：4.763 m,4.330 m,3.897 m,3.464 m。

塔架131.32 m處也設置一層外伸3.464 m三角桁架，與塔頂拱形鋼梁組成一小設備間，主要用來放置水箱。

塔架內部電梯井也采用空間塔架結構形式，根開為3.680 m,上下維持不變。

塔架內外筒每隔4 m～5 m設置剛性橫隔連接。三層布置圖見圖2。

3.2 風荷載的取值

本工程結構質量輕、建筑外形獨特，風荷載作用敏感，風荷載是其結構設計的控制荷載之一。基本風壓取值為0.60 kN/m2,塔架頂點風壓高度變化系數取值為2.368。塔架平面近似按雙軸對稱的八邊形取用。在計算中，考慮整個結構為全封閉，故保守估計采用1.3，為結構整體的計算設計以及圍護結構的設計提供可靠的依據。

計算過程中取如圖3所示的兩種風向角參與荷載組合。

3.3 結構整體計算及分析

工程整體計算采用PKPM 2010系列軟件中的SATWE,為了對結構整體及關鍵構件做更清晰的分析,建立了多種計算模型進行分析比較。同時用MIDAS進行核算、對比。

SATWE與MIDAS兩個軟件的主要計算結果對比見表1。由表中數據可以看出,兩種程序計算結果差異不大,結構在多遇地震情況下各項指標均符合規范的要求。

表1 兩種程序周期、位移對比

以上結構整體分析結果表明，采用兩種不同力學模型的計算程序計算結果比較接近。計算結果在數值上雖然有一定的差異，但差異均在工程上可接受的范圍內。驗證了結構分析的正確性和可靠性。第一扭轉周期與第一平動周期之比最大為0.403 3(SATWE)，小于規范限值0.85；考慮5%偶然偏心時X方向結構位移比最大為1.64，Y方向結構位移比最大為1.54，稍大于規范限值1.50，但層間位移角小；同時，剪重比、地震以及風荷載作用下的最大層間位移角、框架柱及剪力墻的軸壓比等等均滿足規范要求。

超限高層建筑的抗震設計,往往需要采用動力時程分析法進行補充計算[3]。通過輸入地震波進行動力分析可以達到以下目的:發現結構的薄弱環節,以便事先予以加強；能更合理地使用材料,對反應以較確切地估計地震過程中結構發生震害的形態和部位,及時采取補救措施。彈性動力時程分析選用了SATWE程序庫提供的5組實際強震記錄地震波和2組由勘察單位提供的人工模擬加速度時程曲線，其加速度時程的最大值取35 cm/s2。

從圖中可以看出,每條地震波的X,Y兩個方向的基底剪力均不小于反應譜法求得的基底剪力的65%,三條地震波的平均基底剪力不小于反應譜法求得的基底剪力的80%,因而計算結果與反應譜法的結果在統計意義上相符。時程分析的X，Y最大樓層位移和最大層間位移角均小于或稍大于反應譜法的結果,故采用結構地震作用效應較大的反應譜法作為設計依據是合理的。

本工程采用中國建筑科學研究院PMCAD系列的EPDA進行大震作用下彈塑性靜力推覆分析(PUCH-OVER)。X向和Y向靜力推覆過程主要荷載節點步數計算結果分析對比表見表2。

表2 罕遇地震下的位移角

本工程的抗震構件在大震作用下性能點處未發生剪切破壞，滿足罕遇地震(大震)作用下的抗震性能目標，能確保本工程在大震作用下的生命安全。

4 防屈曲約束支撐設計

由于防屈曲約束支撐具有承載能力高[4]、耗能能力好、充分發揮鋼材性能的優點，且屈服后能提高結構在地震作用下的耗能能力。故本工程采用型鋼混凝土框架和鋼框架支撐結構混合體系。

共設置兩道支撐：第7層的支撐長度為20 m，截面為箱形截面350×350×16×16；第13層的支撐長度為14.26 m，截面為箱形截面250×250×16×16。支撐布置圖見圖4。

采用屈曲約束支撐替換普通支撐后，用鋼量要比普通支撐減少很多，支撐的換算截面比較表見表3。

表3 不同支撐截面對比

經核算，采用屈曲約束支撐后，支撐的用鋼量減少約100 t。

防屈曲耗能支撐在彈性狀態下的承載力比普通支撐提高3倍～10倍，其截面可大大減小，從而滿足建筑要求。此外，采用防屈曲耗能支撐后，屈曲耗能支撐率先耗能，能保護主體結構在大震下不破壞。因此，設置防屈曲耗能支撐后，不僅可滿足建筑要求，減小結構用鋼量，同時能夠提高結構的抗震性能。

5 結語

由于建筑功能和造型的要求而使本工程成為超限高層結構,但在設計中已注意到了薄弱部位和重要環節,采取了相應的計算分析和加強措施,整體結構具有較好的抗震性能,有關指標能夠滿足規范要求。

1)通過計算可以看出，本工程在各個地震水準下構件的承載能力、變形和構造措施均能滿足預定的性能目標。

2)采用屈曲約束支撐后，結構在大震下的抗震性能得到了很好的改善，結構的耗能能力增強，可以達到保護主體結構構件的目的，震后修復方便。并且在大震下對非結構構件起到了更好的保護作用。

[1] JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建質(2010)109號:超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[Z].2010.

[4] 郎海坡，戚承志，苗啟松.防屈曲耗能支撐的發展狀況[J].施工技術，2008(S2)：96-98.

[5] 靳 衛.某超限高層建筑設計[J].山西建筑，2013，39(30)：31-32.

Structural design of a memorial tower in Inner Mongolia

ZHOU Deng-feng

(ChinaShanghaiArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200063,China)

The paper mainly introduces the structural design of some ultra-high-rise building in Inner Mongolia, undertakes the treatment in the structural allocation and calculation analysis for the structure ultralimit, and proves by the practice that the structure after the treatment has better anti-seismic performance and meets the demands for the regulation of relative indexes.

ultra-high-rise, structural design, buckling restrained brace

1009-6825(2014)11-0058-02

2014-01-18

周登峰(1981- )，男，工程師

TU973

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