内蒙古某超限高层建筑的结构设计

周 登 峰

(中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063)

内蒙古某超限高层建筑的结构设计

周 登 峰

(中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063)

详细介绍了内蒙古某超限高耸建筑的结构设计，针对结构超限,在结构布置、计算分析上作出了处理,实践证明：处理后的结构具有较好的抗震性能，有关指标满足规范要求，为类似工程提供了参考。

超限高层，结构设计，屈曲约束支撑

1 工程概况

本工程位于鄂尔多斯市罕台镇南侧的鄂尔多斯孟克烛拉美食城内。结构总高148.9 m,底部钢筋混凝土框架除首层展示厅直径50 m，层高12.0 m(主塔27.70)外；主塔直径25 m，二三层为婚庆大堂，层高5.40 m；四五层为办公，层高4.50 m；顶层为设备用房，结构高52.90 m(室内外高差0.90 m)，其上钢塔直径10 m～7 m，设一部检修电梯和检修钢梯，塔顶部4层，周边外挑4.8 m～3.5 m，作为设备用房；顶部为13.68 m高的蒙古文化的象征装饰品。地上建筑面积2 035 m2。设1层地下室，主要为设备用房如2配变电、水泵机房、消防水池、空调机组用房等，建筑面积2 035 m2。

建筑立面图见图1。

2 场地条件及地基基础设计

本工程的建筑抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.10g，场地土类别为Ⅱ类。抗震设防类别为丙类建筑。设防烈度7度，钢筋混凝土框架抗震等级为二级。

勘察场地位于鄂尔多斯市罕台镇南侧的孟克烛拉美食城内，现地面经整平后较平坦，地面标高变化在1 493.07 m～1 496.16 m，施工条件较好。勘察场地区域属剥蚀高原，微地貌属宽缓起伏的丘陵顶部台地。勘察期间，拟建场地内未见地下水，设计和施工可不考虑地下水的影响。

基础形式为桩基筏板。底板厚为0.6 m，承台高1.6 m。桩基采用φ700灌注桩,桩长15 m～22 m,桩基持力层桩端持力层为第④层强风化砂岩层，单桩竖向抗压承载力设计值为2 000 kN。

3 上部结构分析和设计

3.1 结构布置及主要特点

本结构可以分为两个部分。0 m～52 m为钢骨混凝土部分，52 m～148 m为钢结构部分。

塔底座采用钢筋混凝土框架结构，并设置少量抗震墙。型钢混凝土柱，首层采用型钢梁(转换框支梁为箱形梁)，组合楼板，其上部主要框架梁加强为型钢混凝土梁。

钢塔形式简介：从建筑标高52 m以上部分。根据建筑需要和结构的受力形式，采用空间塔架结构形式。塔柱底部到拱形屋顶总高度为82.32 m，塔顶装饰物高13.68 m。

塔架横截面采用正八边形结构形式。从标高52 m～67.26 m塔架根开为10.824 m。自67.26 m处开始变坡，到114.82 m处根开变为7.577 m并维持不变。

塔架顶部设置4层设备间，设备层标高分别为：114.82 m,119.32 m,123.82 m,128.32 m。设备间结构布置采用外伸三角形悬臂桁架形式。根据建筑要求尺寸，每层桁架从塔腿外伸的长度分别为：4.763 m,4.330 m,3.897 m,3.464 m。

塔架131.32 m处也设置一层外伸3.464 m三角桁架，与塔顶拱形钢梁组成一小设备间，主要用来放置水箱。

塔架内部电梯井也采用空间塔架结构形式，根开为3.680 m,上下维持不变。

塔架内外筒每隔4 m～5 m设置刚性横隔连接。三层布置图见图2。

3.2 风荷载的取值

本工程结构质量轻、建筑外形独特，风荷载作用敏感，风荷载是其结构设计的控制荷载之一。基本风压取值为0.60 kN/m2,塔架顶点风压高度变化系数取值为2.368。塔架平面近似按双轴对称的八边形取用。在计算中，考虑整个结构为全封闭，故保守估计采用1.3，为结构整体的计算设计以及围护结构的设计提供可靠的依据。

计算过程中取如图3所示的两种风向角参与荷载组合。

3.3 结构整体计算及分析

工程整体计算采用PKPM 2010系列软件中的SATWE,为了对结构整体及关键构件做更清晰的分析,建立了多种计算模型进行分析比较。同时用MIDAS进行核算、对比。

SATWE与MIDAS两个软件的主要计算结果对比见表1。由表中数据可以看出,两种程序计算结果差异不大,结构在多遇地震情况下各项指标均符合规范的要求。

表1 两种程序周期、位移对比

以上结构整体分析结果表明，采用两种不同力学模型的计算程序计算结果比较接近。计算结果在数值上虽然有一定的差异，但差异均在工程上可接受的范围内。验证了结构分析的正确性和可靠性。第一扭转周期与第一平动周期之比最大为0.403 3(SATWE)，小于规范限值0.85；考虑5%偶然偏心时X方向结构位移比最大为1.64，Y方向结构位移比最大为1.54，稍大于规范限值1.50，但层间位移角小；同时，剪重比、地震以及风荷载作用下的最大层间位移角、框架柱及剪力墙的轴压比等等均满足规范要求。

超限高层建筑的抗震设计,往往需要采用动力时程分析法进行补充计算[3]。通过输入地震波进行动力分析可以达到以下目的:发现结构的薄弱环节,以便事先予以加强；能更合理地使用材料,对反应以较确切地估计地震过程中结构发生震害的形态和部位,及时采取补救措施。弹性动力时程分析选用了SATWE程序库提供的5组实际强震记录地震波和2组由勘察单位提供的人工模拟加速度时程曲线，其加速度时程的最大值取35 cm/s2。

从图中可以看出,每条地震波的X,Y两个方向的基底剪力均不小于反应谱法求得的基底剪力的65%,三条地震波的平均基底剪力不小于反应谱法求得的基底剪力的80%,因而计算结果与反应谱法的结果在统计意义上相符。时程分析的X，Y最大楼层位移和最大层间位移角均小于或稍大于反应谱法的结果,故采用结构地震作用效应较大的反应谱法作为设计依据是合理的。

本工程采用中国建筑科学研究院PMCAD系列的EPDA进行大震作用下弹塑性静力推覆分析(PUCH-OVER)。X向和Y向静力推覆过程主要荷载节点步数计算结果分析对比表见表2。

表2 罕遇地震下的位移角

本工程的抗震构件在大震作用下性能点处未发生剪切破坏，满足罕遇地震(大震)作用下的抗震性能目标，能确保本工程在大震作用下的生命安全。

4 防屈曲约束支撑设计

由于防屈曲约束支撑具有承载能力高[4]、耗能能力好、充分发挥钢材性能的优点，且屈服后能提高结构在地震作用下的耗能能力。故本工程采用型钢混凝土框架和钢框架支撑结构混合体系。

共设置两道支撑：第7层的支撑长度为20 m，截面为箱形截面350×350×16×16；第13层的支撑长度为14.26 m，截面为箱形截面250×250×16×16。支撑布置图见图4。

采用屈曲约束支撑替换普通支撑后，用钢量要比普通支撑减少很多，支撑的换算截面比较表见表3。

表3 不同支撑截面对比

经核算，采用屈曲约束支撑后，支撑的用钢量减少约100 t。

防屈曲耗能支撑在弹性状态下的承载力比普通支撑提高3倍～10倍，其截面可大大减小，从而满足建筑要求。此外，采用防屈曲耗能支撑后，屈曲耗能支撑率先耗能，能保护主体结构在大震下不破坏。因此，设置防屈曲耗能支撑后，不仅可满足建筑要求，减小结构用钢量，同时能够提高结构的抗震性能。

5 结语

由于建筑功能和造型的要求而使本工程成为超限高层结构,但在设计中已注意到了薄弱部位和重要环节,采取了相应的计算分析和加强措施,整体结构具有较好的抗震性能,有关指标能够满足规范要求。

1)通过计算可以看出，本工程在各个地震水准下构件的承载能力、变形和构造措施均能满足预定的性能目标。

2)采用屈曲约束支撑后，结构在大震下的抗震性能得到了很好的改善，结构的耗能能力增强，可以达到保护主体结构构件的目的，震后修复方便。并且在大震下对非结构构件起到了更好的保护作用。

[1] JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建质(2010)109号:超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[Z].2010.

[4] 郎海坡，戚承志，苗启松.防屈曲耗能支撑的发展状况[J].施工技术，2008(S2)：96-98.

[5] 靳 卫.某超限高层建筑设计[J].山西建筑，2013，39(30)：31-32.

Structural design of a memorial tower in Inner Mongolia

ZHOU Deng-feng

(ChinaShanghaiArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200063,China)

The paper mainly introduces the structural design of some ultra-high-rise building in Inner Mongolia, undertakes the treatment in the structural allocation and calculation analysis for the structure ultralimit, and proves by the practice that the structure after the treatment has better anti-seismic performance and meets the demands for the regulation of relative indexes.

ultra-high-rise, structural design, buckling restrained brace

1009-6825(2014)11-0058-02

2014-01-18

周登峰(1981- )，男，工程师

TU973

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