某綜合體建筑超限高層結構設計研究

開源國際建筑設計院（廣州）有限公司，廣東 廣州 510000

綜合體建筑作為我國重要的建筑建設項目，突破了建筑功能局限性，提高了空間資源利用率。由于綜合體建筑結構較為復雜，穩定性相對較差，必須對其樓層進行限定[1]。隨著社會經濟的快速發展，人們對綜合體建筑樓層的高度提出了新的要求，如何在滿足穩定性的前提條件下，盡可能地滿足建筑空間的擴大需求，制訂超限高層結構方案，成為建筑領域的重要研究方向[2]。

1 工程概況

某建筑物坐落于商業圈，與地鐵站距離較短，交通便利，集辦公、休閑娛樂、居住等多項功能于一體。由于建筑功能較為復雜，為了滿足不同樓層的使用需求，分別為其設定層高，并設置防震縫，以此加強各個樓層鋼筋的穩定性。

2 建筑超限高層結構設計

2.1 建筑總體結構體系設計

該研究將核心筒插入建筑結構模型中，獲取雙道抗震防線的構件，為提高建筑結構穩定性奠定基礎。建筑總體結構體系設計方案如圖1所示。在圖1中，左側是建筑結構模型，中間是核心筒，右側是框架柱，該結構內部含有建筑的第1道抗震防線構件，穩定性能較高。

圖1 建筑總體結構體系設計方案

2.2 基于力學模型的建筑結構調整

扭轉位移比μ是建筑結構偏心的重要參數，通常情況下，采取減小樓層質量中心與剛度中心之間的偏心距的方法控制μ＜1.4[3]。由于該研究項目建筑未設防震縫，在塔樓的一側存在裙樓偏置情況，在此條件下μ＞1.4。經計算分析可知，這種常用的操作手段無法控制μ，其原因是豎向體型收進期間裙樓上半部分樓層的結構剛度與標準存在一定差異，使抗震性能嚴重偏離預期目標。綜合體建筑結構力學模型如圖2所示。

圖2 綜合體建筑結構力學模型

假設塔樓地震力為F1、塔樓質量為m1、塔樓結構剛度為K1，樓層扭轉位移比μ與裙樓地震力F2、塔樓質量m2、塔樓結構剛度K2存在相關關系，用以下公式來描述：

如果僅調整樓層結構構件，認為建筑總質量和結構質量分布對構件的影響較小，并且在調整局部構件的剛度時，建筑整體結構周期變化幅度較小，其影響可以忽略不計。依據反應譜曲線變化特點認為，結構質量、結構周期、地震力之間存在一定的相關關系，地震力隨著其他兩個變量的減小而下降。由此可以推斷，要想調整豎向構件剛度，需要保證參數F2、F1、m2、m1恒定。依據此關系，對公式（1）進行轉換，可以得到關系模型：

設計建筑結構期間，為了調整參數μ，使其滿足結構構件布置要求，需要考慮以下三種調整情況：（1）無偏心，參數記為μ0；（2）正偶然偏心，參數記為μ1；（3）負偶然偏心，參數記為μ2。該方案以4層建筑物為例，將建筑項目相關數據代入公式中，可以得到計算結果。由此可知，該建筑工程受正偶然偏心的影響最大。另外，通過計算還可以掌握參數μ1與參數η之間的關系，二者之間同樣存在正相關關系。因此，建筑結構調整方案中，應該減小參數η，如增加裙樓剛度等，確保建筑各個樓層參數μ數值均＜1.4。

2.3 結構平面布置設計

該建筑塔樓平面為長方形，長度為30.8m、寬度為43.6m，結構高寬比設置為6.4，建筑中央位置布設核心筒；布設平面尺寸長度為23.9m、寬度為13.3m，結構高寬比設置為14.9。以建筑上部分酒店功能和辦公功能為例，設計結構平面布置方案如圖3所示。

圖3 建筑上部結構樓層平面布置設計方案（單位：mm）

圖3（a）對辦公用房樓層平面布置進行設計，標注了樓層各個單元活動面積劃分尺寸；圖3（b）對酒店客房樓層平面布置進行設計，標注了樓層各個單元活動面積尺寸。這些建筑結構具有相同的布設特點，均選取柱內型鋼作為結構延伸性提高工具。在界面的底層布設型鋼混凝土柱，規格為1700mm×1700mm，隨著樓層的增加，型鋼混凝土柱尺寸逐漸減小，頂層規格為800mm×800mm，采用分段收進方法進行布置。

2.4 風荷載與地震設計規范

該設計方案以《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）為參考依據，設定風壓參數為0.45kN/m2，按照建筑結構技術施工規程，將施工場地地面粗糙程度設定為B類，取值1.44。按照50年重現期，取基本風壓參數數值是規范值的1.1倍，根據承載力和位移兩項指標數值的設定，將結構阻尼比設定為5%。

另外，按照《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010），設定該項目的抗震設防指標為7度。通過現場實地勘察可知，施工現場地震類別為Ⅲ類，對應的特征周期為0.5s。當建筑所處位置發生大型地震時，特征周期為0.55s，結構阻尼比為0.06。當該區域發生的地震等級為中等或者低等時，結構阻尼系數比有所減小，取值0.05。

3 高層建筑結構超限判斷及建筑抗震性能分析

為了驗證上述設計方案是否可靠，文章對設計方案進行模擬仿真分析。建筑結構抗震性能模擬測試結果如表1所示。

表1 建筑結構抗震性能模擬測試結果

從表1中可以看出，文章提出的建筑結構設計方案具有較強的抗震性。在滿足結構抗震安全性要求的同時，為人們提供了多項服務。

4 結論

文章通過對上述工程項目進行技術分析與調整，得出以下結論：（1）在建筑豎向體型收進，樓的一側存在裙樓偏置情況，建筑未設防震縫的情況下，抗震性能嚴重偏離預期目標。常規手段無法控制扭轉位移比μ。（2）僅調整樓層結構構件，建筑總質量和結構質量分布對構件的影響較小，調整局部構件的剛度時，建筑整體結構周期變化幅度較小，其影響可以忽略不計。（3）結構質量、結構周期、地震力之間存在一定相關關系，地震力隨著其他兩個變量的減小而下降。（4）扭轉位移比μ與塔樓裙房之間剛度比η存在正相關關系。可以通過增加裙樓剛度等方法調整剛度比，確保建筑各個樓層參數μ數值滿足預期要求。