超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其分析探討

王勇 李運(yùn)河

摘要：由于城市人口急劇增加，為了能夠滿足人口需求，同時(shí)做到節(jié)約土地資源，由此設(shè)計(jì)人員更傾向于對高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。近些年來，由于建筑設(shè)計(jì)技術(shù)以及施工技術(shù)的發(fā)展，超限高層建筑逐步發(fā)展起來。雖然這大大緩解了城市發(fā)展人口過量的問題，但是由于高度非常高，結(jié)構(gòu)相對也比較復(fù)雜，因此對設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。本文正是從設(shè)計(jì)角度對超限高層建筑進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：超限結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；分析

1 建筑超限結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

由于根據(jù)超限建筑物本身進(jìn)行構(gòu)建有利的特點(diǎn)而言，一般采用常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就能解決問題，就不需采取鋼結(jié)構(gòu)或者鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等在超高層常用的類型。但由于采用鋼筋混凝土，結(jié)構(gòu)自重較大，周期較長的特點(diǎn)，一般建筑應(yīng)用中根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)。可自行選擇采用何種結(jié)構(gòu)。

另外，根據(jù)工程自身的指標(biāo)，如果采用框架——核心筒結(jié)構(gòu)體系即可滿足剛度和受力要求，就不需采取加強(qiáng)層、蒙皮或巨型支撐等特殊的手段。在常遇地震和風(fēng)載作用下，最大層間位移角為Y向的設(shè)計(jì)時(shí)要大于規(guī)范限值（1/500）。

如果采用核心筒結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)避免減少剛度偏心，設(shè)計(jì)上注意核心筒設(shè)計(jì)的剛度要求；整體偏向左側(cè)，為提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度，在不影響建筑功能的情況下，整個(gè)外圍框架梁的均值應(yīng)加高至900。為盡量減少剛度差異過大而給結(jié)構(gòu)抗震帶來的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮滿足對剛度指標(biāo)的需求。

2 超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)的超高問題

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

2.2 避免嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計(jì)

考慮結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，超高時(shí)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性的要求應(yīng)從嚴(yán)掌握，在新規(guī)范與舊規(guī)范對比下，新規(guī)范在這方面做了較大的變動，增添了一定的限制條件，如平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等。由此，在設(shè)計(jì)過程中：應(yīng)采取有效措施妥善地處理結(jié)構(gòu)布置、防震縫設(shè)置、轉(zhuǎn)換層和水平加強(qiáng)層、薄弱層和薄弱部位、主樓與裙房共同協(xié)同工作等；結(jié)構(gòu)基本周期和變形特征應(yīng)控制在規(guī)范設(shè)定的合理范圍內(nèi)；樓層最大層間位移應(yīng)符合規(guī)范限值要求；值得注意的是，當(dāng)計(jì)算的最大層間位移角小于規(guī)范限值的40%時(shí)，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值可適當(dāng)放松；應(yīng)有明確的多道抗震防線；對混合結(jié)構(gòu)、鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的鋼框架，其重要連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)保證使結(jié)構(gòu)有足夠的冗余度，形成多道抗側(cè)力體系；多塔、連體、錯(cuò)層以及帶轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)減少不規(guī)則類型和不規(guī)則程度；不宜超過《高規(guī)》最大適用高度。

2.3 計(jì)算結(jié)果的工程判斷

在建筑結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算階段，要準(zhǔn)確、高效地對工程項(xiàng)目進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與處理，做好工程設(shè)計(jì)中的每一步工作。抗震墻與框架剪力分配、最大層間位移的位置和分布。結(jié)構(gòu)各層最小地震剪力系數(shù)要求，Ⅲ、Ⅳ類場地條件時(shí)尚宜適當(dāng)提高。結(jié)構(gòu)時(shí)程分析輸入地震波要求，當(dāng)取七組及以上的時(shí)程曲線時(shí)，取計(jì)算結(jié)構(gòu)的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。

2.4 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，首先應(yīng)滿足最小地震剪力系數(shù)、混凝土構(gòu)件最小配筋、軸壓比、剪壓比、鋼構(gòu)件最大長細(xì)比要求，避免部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失承載能力；不應(yīng)同時(shí)采用多塔、連體、錯(cuò)層、帶轉(zhuǎn)換層以及帶加強(qiáng)層等五種類型中的三種以上的復(fù)雜類型。按超限的程度，對關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位采取比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施。如：中震彈性設(shè)計(jì)、大震下抗震承載力驗(yàn)算。當(dāng)房屋超過《高規(guī)》B級高度、或房屋高度、平面和豎向規(guī)則性等三方面均不滿足規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)研究、改變結(jié)構(gòu)類型、改變結(jié)構(gòu)材料或采用抗震新技術(shù)等。應(yīng)根據(jù)烈度、超限程度和在結(jié)構(gòu)中所處部位，提高抗震等級、內(nèi)力調(diào)整、軸壓比、剪壓比、鋼材的材質(zhì)等要求，確實(shí)提高結(jié)構(gòu)延性。尤其要注意控制柱、墻的軸壓比和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件長細(xì)比等。根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，采用增設(shè)芯柱、約束邊緣構(gòu)件、型鋼混凝土、鋼管混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)等提高延性的措施和消能減震新技術(shù)。對抗震薄弱部位應(yīng)從承載力和構(gòu)造兩方面加強(qiáng)。

3 超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的問題

3.1地基設(shè)計(jì)需要注意的問題

多層建筑地基設(shè)計(jì)非常簡單，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者只要按照基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，出現(xiàn)問題的可能性并不大。但超限高層建筑卻不能如此隨便，因?yàn)楦叨确浅８撸鼗休d力要求非常高。因此在進(jìn)行地基設(shè)計(jì)之前，施工單位必須預(yù)先進(jìn)行地質(zhì)勘探，設(shè)計(jì)人員依據(jù)勘探數(shù)據(jù)報(bào)告來設(shè)計(jì)，以此保證地基承載能力達(dá)到超限高層建筑要求。總之，實(shí)際設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)者必須以勘探結(jié)構(gòu)為依據(jù)，考慮眾多因素，完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

3.2抗震設(shè)計(jì)中需要注意的問題

超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題之一。為了提升超限高層建筑的抗震性，設(shè)計(jì)人員盡量不要應(yīng)用框架體系，可以選擇應(yīng)用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，也可以選擇應(yīng)用筒體結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要對實(shí)際情況加以了解，根據(jù)超限高層建筑的剛度和抗震需求來進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，這樣不容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)返工的問題。

3.3現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板設(shè)計(jì)需要注意的問題

①從鋼筋混凝土的現(xiàn)澆樓板的各種受力體系分析，不管是按哪種設(shè)計(jì)中對其受力狀態(tài)的考慮，都是局限于樓板平面上應(yīng)力的變化以及板平面受剪的變形。即使對板端的嵌固端節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行考慮，也僅僅是對板平面的彎曲或者屈曲所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行了考慮。而在對樓板的受力體系進(jìn)行分析時(shí)，對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的構(gòu)件間的在三維空間之中怎樣進(jìn)行內(nèi)力分配和協(xié)調(diào)變形，則根本沒有進(jìn)行考慮。

②在進(jìn)行樓板鋼筋的配置設(shè)計(jì)時(shí)，部分的設(shè)計(jì)者只是按照單向板來進(jìn)行計(jì)算，只是以分離式的負(fù)彎矩鋼筋來作為支座處的支撐，這種設(shè)計(jì)方法所計(jì)算出來的受力情況和實(shí)際的受力情況存在著較大的出入，所以導(dǎo)致混凝土樓面的抗拉能力分布不均，很容易導(dǎo)致局部裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)由于對于構(gòu)造配盤及放射筋等重視度不夠，所以一些薄弱環(huán)節(jié)沒有加強(qiáng)筋的配置，為質(zhì)量安全埋下了隱患。

3.4連續(xù)梁設(shè)計(jì)需要注意的問題

連續(xù)梁按單梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，此情況大多出現(xiàn)在陽臺邊梁的設(shè)計(jì)之中。為了更便于分析結(jié)構(gòu)受力情況，設(shè)計(jì)者把應(yīng)為連續(xù)梁的梁按照簡支梁來設(shè)計(jì)，使得梁在支座上部的負(fù)筋配置過少。從而引起了梁在支座附近上部的受拉區(qū)出現(xiàn)豎向上的裂縫，從而導(dǎo)致梁上部攔板處出現(xiàn)豎向的裂縫。若此邊梁的長度較長，那么出現(xiàn)的問題將會變得更加嚴(yán)重。

4 結(jié)語

超限高層建筑可能會成為城市建筑建設(shè)重點(diǎn)。由于此種類型的建筑結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)者要多加注意，避免出現(xiàn)安全隱患。而要做到這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須統(tǒng)籌安全，全面考慮，對超限高層建筑各個(gè)部位具體受力情況加以分析，選擇適宜的參數(shù)，以此確保建筑結(jié)構(gòu)受力合理，即便受到意外情況也不會發(fā)生嚴(yán)重問題。

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（作者單位：1.濟(jì)南市人防建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司；

2.山東省華都建筑設(shè)計(jì)院有限公司）