試論超高層住宅的結構設計與抗震

吳啟鈞

廣東貝林建筑設計有限公司 廣東 廣州 510000

引言

城市化管理模式的盛行和城區人口密度的逐步加大，使超高層建筑被確定為建筑業未來發展的主要路線，城區超高層建筑不斷涌現，并且在建材到主體架構也在不斷升級，并且抗震設計一直是超高層建筑設計中的核心環節，近些年來，國內超高層結構抗震設計水平逐步加強，然而超高層建筑結構抗震被確定仍被確定為現代建筑發展中的主要難題，所以就有必要對超高層住宅結構設計與抗震設計進行研討。

1 超高層住宅結構設計的要求

1.1 設計計劃的制定

住宅設計的美觀經濟適用非常關鍵，高質量的設計計劃需要以簡單對稱的結構布置為前提，應當注意到建筑造型的美觀，同時還在合理范圍內盡量體現出設計的經濟性[1]。

超高層住宅結構設計的核心就是結構布置的合理、均衡，所以設計計劃應當保證在舒適使用和安全的前提下，還應當具有簡便性，在方案階段就要考慮建筑功能與結構布置的和諧統一。除此之外，還需要結合工程的地理條件、使用要求、結構類型等環節上做出綜合的衡量，還應當與水電等專業進行配合，進而從綜合角度上考慮，來制定住宅設計計劃，保證超高層住宅的安全實用。這就要求我們將工程概況、規范、結構形式、荷載情況、參數設置、構件截面、基礎選型、建筑平面圖、材料等進行分析和羅列，作一個可行性的專業內和專業間的綜合分析。還要注意，對于超限高層結構的超限審查，全國各地存在一定的地區差異，在結構方案設計階段要注意核查清楚當地的做法和標準，并嚴格執行[2]。

1.2 結構設計思路

一般的結構設計，我們的設計思路是抗規的要求：小震不壞、中震可修、大震不倒，就是我們所說的兩階段三個水準設計。通過小震彈性設計，加以強柱弱梁、強剪弱彎、強墻肢弱連梁等構造加強措施，以增強構件的延性，最后達到小震不壞、中震可修的要求。 這樣的一個性能目標，它是最基本的性能目標要求。

而超高層住宅的結構設計思路是加以性能化設計。性能化設計是建立在概念設計上的抗震設計的一種新的發展，它主要的觀點是在不同的地震動下，針對 不同的構件（關鍵構件、普通構件、耗能構件）或同一構件（同一個柱子、同一片墻）的不同的內力（軸力、彎矩或者是剪力），提出不同的目標。性能設計包含常規的小震設計， 然后就到了我們的中震和大震設計。中震的性能化設計指的就是按照規范譜進行分析，αmax采用中震的數值。大震的性能化設計包含兩部分，第一部分指的就是按照規范譜進行分析，αmax采用大震的數值； 第二部分就是大震的彈塑性分析， 是采用時程地震波進行的積分分析。

1.3 對計算實行正確的分析

國內科技水平在逐步加強，這樣就對建筑企業發展提供了有利條件，智能終端技術屬于現代科技發展中的主要項目，智能終端技術也在現代住宅結構設計上得到全面融入。設計師的計算軟件愈加豐富，但同時也伴隨了一些影響因素，一個工程在多個軟件里的計算結果存在差異，這就需要設計師有一套系統方法去比較和分析。

一般來說，小震彈性分析需要分別采用兩個不同力學模型的空間結構分析，分析時，均采用振型分解反應譜法計算地震作用，并考慮了偶然偏心及雙向地震作用；采用CQC（完全平方根組合）進行振型組合，采用《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）的方法計算雙向地震作用。還應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。選用3條或7條地震波進行多遇地震下彈性時程分析。例如采用PKPM和YJK作為主要分析軟件，采用ETABS、Midas作為輔助軟件對比分析。而大震彈塑性分析會采用sausage、Midas等軟件為結構進行分線型地震反應分析[3]。

2 高層民用建筑結構設計中普遍的問題與對策

2.1 超高的問題

現階段，世界大部分國家都發生了前所未有的高等級暴風雪天氣情況，并且也基于抗震性能等環節的衡量，國內相關部門也在超高層住宅的高度上提出了較高的標準，將住宅高度確定為A級高度，B級高度，超B級高度，超高層住宅的結構構造措施也都得到明顯區分[4]。當房屋高度在《高層混凝土結構規程》B級高度范圍內時，比較規則的建筑應按高規執行。超高時應從嚴掌握建筑結構規則性的要求，明確豎向不規則和水平向不規則的程度，應注意樓板局部開大洞導致較多數量的長短柱共用和細腰形平面可能造成的不利影響，避免過大的地震扭轉效應。

2.2 高層結構規則性問題

規則性超限是指建筑結構布置屬于《抗震規范》 、《高層混凝土結構規程》規定的特別不規則的高層建筑工程。包括結構平面不規則、豎向不規則、轉換層、加強層、錯層、連體和多塔等不規則。要針對不規則的多少、程度和薄弱部位，明確提出為達到安全而比現行規范、規程的規定更嚴格的具體抗震措施或預期性能目標。

3 超高層建筑的抗震設計方法與要點

3.1 設計方法

在超高層住宅結構設計的過程中，需要結合兩階段三水準的思路考慮。在第一階段設計時，選擇與第一水準相契合的參數，結構整體計算包含豎向和水平荷載工況。其中豎向荷載工況包括結構自重、附加恒載及活載，計算時考慮施工模擬加載。水平荷載工況包括地震作用及風荷載。小震下采用規范反應譜，同時考慮雙向水平地震作用、偶然偏心以及施工模擬加載的影響，采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法。選用5組天然波和2組人工波，對結構作彈性時程分析，并將其結果的平均值與規范反應譜分析結果相比較，取其包絡進行設計，根據彈性時程分析結構，對剪力增大的樓層剪力乘以剪力放大系數進行構件驗算。還要對風荷載下剪力墻偏拉驗算進行專項分析，以確保小震不壞，中震可修。

第二階段采用Sausage對整體結構進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，有助于發現結構薄弱環節，并有針對性對結構構件進行加強，使結構能夠滿足預設的罕遇地震作用下性能目標和規范層間位移角要求，以確保大震不倒。

3.2 結構規則性

從超高層住宅結構的角度而言，所開展的設計工作需要保證住宅結構具備強大抗扭剛度，保證平面結構布置和受力的均衡，能夠滿足抗震設計的標準[5]。

綜合考慮建筑功能、立面造型、抗震（風）性能要求、施工周期以及土建造價等因素，高草層住宅一般采用鋼筋混凝土剪力墻結構體系，剪力墻宜平面內上下對齊，保證傳力清晰。但有可能由于建筑功能限制，平面某個方向多為陽臺或窗，沿建筑平面這一方向可布置剪力墻的數量較少，設計上應加長該方向剪力墻長度，加大外圍端柱尺寸，結合飄窗增加梁高、梁寬，以加強結構這一向抗側剛度使其滿足規范要求。

對可能發生應力集中的區位做出專項分析和構造加強，如此設置能夠明顯減少地震帶來的危害性，能保證住宅架構符合相關標準。如核心區域、樓梯區域及其周邊薄弱連接處樓板進行樓板應力分析，構造上加厚至150mm，并根據分析結果對樓板應力較大區域進行加強，保證在地震作用下樓板能有效傳遞水平荷載和有效協調所連接結構的變形。

3.3 針對剪力墻的分析加強

使用剪力墻結構的超高層住宅的抗震性與剪力墻就有這十分重要的聯系。剪力墻是豎向承重構件，通過連梁、框架梁圍蔽起來形成建筑物本身的剛度，承受水平風荷載、地震荷載作用，所以剪力墻的設計是超高層住宅的重點。

經過小震彈性、中大震等效彈性的分析，剪力墻需要按小中震包絡配縱筋、箍筋。關鍵構件底部加強區剪力墻，除滿足小震、中震、大震的計算配筋要求外，其最小分布筋配筋率由0.25%提高到0.35%；角部剪力墻抗震等級宜提高，豎向分布筋最小配筋率提高為0.8%。底部加強區的剪力墻邊緣構件及水平筋需由小震與中震抗彎不屈服抗剪彈性包絡配筋。建筑周邊剪力墻端柱或短翼緣墻肢、小翼緣墻垛全高采用約束邊緣構件，同時滿足框架柱設計要求，箍筋均按全高加密構造加強[6]。

結束語

近些年來，國內建筑設計的能力不斷加強，這樣就為超高層建筑的發展創造了有利條件。專業技術人員在結構設計的過程中，應當結合地方客觀條件，以正確的方法開展結構與地震設計工作，結合既定的設計原則以及專業規程，總結出結構設計、抗震設計與經濟效益間的共通之處，為民眾打造出更具安全性、規整性、藝術性和實用性的超高層建筑。