探討高層建筑塔樓結構的超限設計要點

◎蔣勁松

隨著城鎮化建設的加快及建筑技術的進步，復雜高層建筑不斷增多，極大滿足了人們對建筑的個性化造型和功能的需求。但與傳統高層建筑相比，復雜高層建筑結構設計更加復雜，要求也更高，難度更大，需要考慮的因素更多。文章結合筆者設計實踐，對復雜高層建筑結構設計特點、類型、設計要點等進行深入探討，供廣大設計同行參考。

一、工程概況

萬科地鐵上東雅苑是長沙軌道交通2號線黃興車輛段地鐵運用庫的上蓋物業，功能為住宅，位于長沙市長沙縣黃興鎮，軌道交通2號線終點站光達站北側，地形平坦開闊，蓋下部分為已完成并投入使用的地鐵2號線運行庫，總建筑面積111304.5平方米。

3#塔為高層建筑，框支框架結構，建筑高度48.15米，2層裙房，裙房以上11層，共13層，結構最大平面尺寸為77.5m×80m，建筑面積約1.85萬平米（三層及以上）。一層裙房為地鐵運用庫，建筑高度9.0米，二層裙房為停車場、商業及設備用房，建筑高度4.9米。

二、結構計算

3#塔抗震設防類別為一層：乙類，二層及以上：丙類，框架結構，基本設防烈度為6度（0.05g），建筑高度為48.15m（n=13）。本工程在二層由單塔變成雙塔，在三層由雙塔變成四塔。

超限內容為：

1.扭轉不規則（偏心布置）。

2.剛度突變（尺寸突變）。

3.構件間斷。

復雜高層和超高層建筑，須結合建筑平面布局，選擇相應合適的結構體系，控制結構層間位移，確保建筑物抗側能力，以保證建筑物的安全性和穩定性，本塔樓采用鋼筋混凝土框支框架結構。

超限高層建筑結構的計算分析包括彈性計算、彈塑性分析計算，根據需求選擇合適的軟件進行計算分析。

圖1三維立體模型

PKPM和JYK各項整體計算結果均滿足規范要求。兩者互相印證；可以滿足3#塔抗震性能目標為C中：在多遇地震作用下結構整體達到第1抗震性能水準要求。結構第一扭轉震型與第一平動周期的比值均小于規范允許值0.85，并無樓層承載力突變的情況，但結構側向剛度不規則。彈性時程分析表明，振型分解法結果起主要控制作用。部分樓層時程分析法計算結果包絡值比CQC法計算結果偏大，配筋設計中需要對相應樓層的剪力進行相應的調整，地震力放大到1.01倍，其地震剪力應按照CQC法與時程剪力的包絡值之比值進行調整。彈性計算結果表明，小震時達到抗震性能水準1的性能要求，結構構件的正截面承載力及受剪承載力均滿足彈性設計要求。

三、罕遇地震超限分析——動力彈塑性時程分析及其結果

1.分析方法。彈塑性分析可分為靜態彈塑性分析和動態彈塑性分析。本課題采用基于隱式積分的彈塑性動力分析方法，具有完整的動力時程特性。計算中直接輸入地震波，考慮了幾何非線性P-△效應，并考慮了材料非線性，能準確模擬結構的破壞。

2.非線性地震反應分析模型。模型單元包括混凝土梁和混凝土柱。這些單元通過公共節點連接起來，形成一個整體模型。采用剛性樓板假設，剛性樓板不包括彈性板和洞口邊緣的獨立柱節點。

在罕遇地震作用下，對本項目使用SAUSAGE動力時程分析進行彈塑性計算。本工程采用兩組自然波TH004TG040、TH078TG040和一組人工波RH4TG040，采用SAUSAGE軟件進行罕遇地震計算分析。根據規范要求，罕遇地震彈塑性時程分析的地震加速度為125cm/s2。每組地震波分別在地震主方向的X方向和Y方向加載，主方向與該方向的峰值加速度比為1:0.85。

四、罕遇地震彈塑性時程分析結論

3#塔在大震下首層框架局部出現輕度損傷，可以滿足地鐵運行庫的使用要求；二層轉換柱部分輕度損壞、轉換梁均為輕微損壞。

1.考慮二階效應，3#塔在地震作用下最大頂位移為0.186m，最終仍能保持直立，滿足“不受大地震影響”的設防要求;

2.3#塔在各組地震波作用下的最大彈塑性層位移角為1/149，結構無明顯薄弱層，滿足規范要求;

3.首層基本保持彈性狀態，保證地鐵運行庫在大震中能夠繼續運行使用，二層轉換梁及轉換柱等關鍵構件處于輕度損壞，大震中不會對下部地鐵運行庫的使用造成影響。

4.樓板無大面積破壞，均為輕微或輕度破壞，能保證在大地震下水平力的良好傳遞。

綜上所述，該結構具有良好的抗震性能，滿足抗震性能要求。

五、針對超限情況的措施

1.抗震等級：對鋼筋混凝土框支柱按二級抗震；三、四層柱截面適當加大，抗震等級按二級考慮，五層及五層以上按三級抗震考慮。

2.軸壓比控制：框支柱軸壓比控制在0.60（一、二層）以內；三、四層軸壓比控制在0.75以內，五層及五層以上軸壓比控制在0.80以內。

3.配筋率：一層框架柱最小配筋率按1.2%控制，邊柱及角柱按1.3%控制。二層框支柱配筋率不小于1.2%，其余柱配筋率不小于1.0%。三～六層柱截面和配筋適當加強，比規范要求最小配筋率增加20%。所有框架柱在小震計算配筋結果的基礎上放大1.25倍，所有框架梁在小震計算配筋結果的基礎上放大1.15倍。

4.最小體積配箍率：一、二層柱箍筋體積配箍率不小于0.9%，全長加密。三層以上角柱體積配箍率不小于0.8%，全長加密。

5.框支轉換梁：框支轉換梁驗算結果以SATWE模型結果在αmax=0.12,抗震等級為二級時不超筋為基準，在αmax=0.17,不記抗震等級調整地震效應的設計值復核，結合大震不屈服判斷進行配筋修正。

七、結論

復雜高層建筑和超高層結構不斷涌現，在進行具體結構設計時，需要做好有關建筑結構的概念設計、抗風和抗震的抗震性能、結構抗側力體系、軟件選擇和計算的準確性以及結構方案和結構類型選擇等，同時還要選擇合適的施工技術及抗震性能優良的施工材料，提升建筑物的穩定性和安全性，促進目前建筑行業進步與發展。