某超限高層商業建筑結構設計

■黃均亮 ■上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092

隨著社會經濟的發展，商業建筑迎來了蓬勃發展的時期。在建筑功能不斷集成的過程中，出現了一系列的結構問題:體量大、體型復雜、大跨、開洞等，因此現代商業建筑對結構設計的要求越來越高。本文將結合工程實例，總結超限高層商業建筑的結構設計方法，為此類項目的設計提供參考。

1 工程概況

某工程由1 棟6 層商業樓，4 棟超高層住宅樓，1 棟59 層超高層辦公樓組成。本文以6 層商業樓為例，分析總結超限高層商業建筑的結構設計方法。

結合6 層商業樓的建筑功能和結構平面布置的特點，設兩道防震縫將其分為A、B、C 三個區，分區后僅A 區屬超限高層，故本文主要介紹商業樓A 區，下文所提商業樓均指商業樓A 區。

本工程所在地區基本設防烈度為6 度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期，多遇地震為0.35s，罕遇地震為0.40s。商業A 區結構單元抗震設防類別為重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施，故商業樓框架抗震等級應為2 級。多遇地震計算時結構阻尼比取0.05，風振計算時結構阻尼比取0.02。

2 基礎設計

商業樓基礎設計等級為甲級，采用樁加防水板基礎。根據前期試樁檢測報告結論，采用Φ700 鉆孔灌注樁，抗壓兼抗拔樁。基礎埋深12.1m，遠大于建筑結構高度的1/18。經復核，風荷載及水平地震作用下基底均不出現零應力區，可滿足高層建筑結構抗傾覆穩定要求。

3 地下車庫設計

地下車庫采用框架剪力墻結構，局部增加的剪力墻，主要有兩個作用:一是為了使得地下1 層與地上1 層的剪切剛度比大于2，滿足正負零作為地上單體嵌固端的要求，二是為了更好地保證室內外高差處水平力的傳遞。商業樓室內及室外相關范圍內，正負零零層采用梁板式結構，板厚180～250，雙層雙向配筋，且配筋率不小于0.25%。

4 上部結構設計

(1)超限情況的判定

根據“住房和城鄉建設部關于印發《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的通知(建質〔2010〕109 號)”，對商業樓的超限情況判定如下:①商業樓結構高度29.2m，采用現澆鋼筋混凝土框架結構，屬于A 級高度高層建筑，高度不超限。②商業樓3 層以上豎向構件縮進大于25%，屬尺寸突變(立面收進);③商業樓地上樓層存在多處樓板有效寬度小于50%，開洞面積大于30%的情況;④商業樓3 層和4層之間質心相差達18m，大于相應邊長的15%，同時，考慮偏心扭轉位移比大于1.2，小于1.4。

綜合以上分析，商業樓屬于超限高層建筑。

(2)上部結構計算分析

在小震作用下，全部結構處于彈性狀態，構件承載力和變形應該滿足規范的相關要求。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3 -2010 第5.1.12 條的要求，本工程采用SATWE 與PMSAP 兩種不同分析軟件分別進行了整體內力及位移計算，兩種軟件的計算結果基本一致，結構體系滿足承載力、穩定性和正常使用的要求。樓層最大位層間移角小于1/550，滿足JGJ 3 -2010 第3.7.3 的要求;在剛性樓板假定下，慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值均小于1.4。

根據建筑抗震設計規范GB50011 -2010 第5.1.2 條，對不規則建筑應采用時程分析進行多遇地震下的補充計算。本工程所選的三條波為TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035，每條時程曲線計算得到的結構底部剪力均大于CQC 法的65%，三組時程曲線計算得到的底部剪力平均值大于CQC 法計算得到的底部剪力的80%，故所選三條波滿足規范要求。時程分析的結果表明，結構體系無明顯薄弱層，時程分析法包絡值較CQC 法計算結果小，故結構的小震彈性設計由CQC 法計算結果控制。

根據高層建筑混凝土結構技術規程JGJ 3 -2010 第5.1.13 條的要求，對商業樓采用彈塑性靜力分析方法進行了補充計算。兩個方向罕遇地震下性能點最大層間位移角均小于1/50，小于規范彈塑性位移角限值，因此宏觀上商業樓所用結構體系能保證大震不倒的設計要求。

在通過二階段設計實現三個水準的基本設防目標以外，針對本工程的具體情況，提出了以下抗震性能化目標:

①設防地震作用下，中庭連廊等薄弱處樓板內雙層雙向鋼筋不屈服;

②設防地震作用下，懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱斜截面抗剪按彈性設計，正截面抗彎按不屈服設計;

PMSAP 樓板應力分析結果表明，中庭連廊根部、平面凹口陰角位置一般為應力集地區域，在多遇地震作用下，樓板主拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值，樓板不會開裂，在設防地震作用下，應力集中位置樓板主拉應力略大于混凝土抗拉強度標準值，但適當加大樓板配筋，即可滿足樓板內鋼筋不屈服。

在設防地震作用下，利用SATWE 進行彈性設計和不屈服設計，分別校核懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱的箍筋和縱筋，并與多遇地震計算結果一起進行包絡設計。計算結果表明，配筋值均在合理范圍，配筋切實可行。

通過以上性能化設計措施，在對結構的經濟性影響較小的情況下，提高了結構的抗震性能，增加了建筑的安全性。

(3)上部結構設計

針對偏心布置和扭轉不規則，設計時，盡量使結構抗側力構件在平面布置中對稱均勻布置，避免剛度中心與質量中心之間存在過大的偏離;加強外圍構件的剛度，增強結構的抗扭性能。計算時，考慮偶然偏心的影響，設計時適當加強受扭轉影響較大部位構件的強度、延性及配筋構造。通過調整結構布置，將考慮偶然偏心下的最大位移比嚴格控制在1.4 以下，第一扭轉周期和第一平動周期比嚴格控制在0.9 以下。

針對立面收進帶來的扭轉不利影響而采取的抗震措施詳第(1)條。構造上，對收進樓層(4 層)加厚至140mm 且雙層雙向加強配筋，配筋率不小于0.25%，但為減小大跨部分樓板自重，室內大跨度區域樓板厚120mm，屋面大跨度區域樓板厚130mm，收進部位上下層樓板(3 層和5 層)厚度不小于120mm，并雙層雙向加強配筋。根據《高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3 -2010》的相關規定，體型收進部位上、下各兩層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級提高一級，框架柱在此范圍內箍筋全高加密，提高縱筋配筋率;收進部位以下兩層結構周邊豎向構件配筋加強。

針對因開洞形成樓板不連續情況，整體計算時按實際開洞情況建模，并將以上樓層定義為彈性膜，以考慮樓板不連續對結構的影響;同時，構造加厚連廊等薄弱區域樓板至130mm 厚，并雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。

5 結語

本文對某超限高層商業樓的結構設計進行了簡要介紹，主要的設計要點可總結如下:

(1)結合建筑功能和結構布置合理設縫，規避平面布置的不規則;(2)優化布置結構抗側力構件，適當加強外圈構件的剛度，提高結構的抗扭性能;(3)采用兩種軟件進行多遇地震彈性分些，結構應滿足相應的強度和剛度要求;(4)對結構進行多遇地震下的彈性時程分析，驗證結構體系的合理性，并與振型分解反應譜法進行包絡設計;(5)補充罕遇下的靜力彈塑性分析，控制性能點層間位移角不大于規范要求;(6)根據工程的具體情況，提出合理的抗震性能化設計目標;(7)利用概念設計原理，結合規范要求，對薄弱部位進行構造加強。

［1］呂西林.超限高層建筑工程抗震設計指南［M］.上海:同濟大學出版社，2005.