某超限高层商业建筑结构设计

■黄均亮 ■上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092

随着社会经济的发展，商业建筑迎来了蓬勃发展的时期。在建筑功能不断集成的过程中，出现了一系列的结构问题:体量大、体型复杂、大跨、开洞等，因此现代商业建筑对结构设计的要求越来越高。本文将结合工程实例，总结超限高层商业建筑的结构设计方法，为此类项目的设计提供参考。

1 工程概况

某工程由1 栋6 层商业楼，4 栋超高层住宅楼，1 栋59 层超高层办公楼组成。本文以6 层商业楼为例，分析总结超限高层商业建筑的结构设计方法。

结合6 层商业楼的建筑功能和结构平面布置的特点，设两道防震缝将其分为A、B、C 三个区，分区后仅A 区属超限高层，故本文主要介绍商业楼A 区，下文所提商业楼均指商业楼A 区。

本工程所在地区基本设防烈度为6 度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期，多遇地震为0.35s，罕遇地震为0.40s。商业A 区结构单元抗震设防类别为重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，故商业楼框架抗震等级应为2 级。多遇地震计算时结构阻尼比取0.05，风振计算时结构阻尼比取0.02。

2 基础设计

商业楼基础设计等级为甲级，采用桩加防水板基础。根据前期试桩检测报告结论，采用Φ700 钻孔灌注桩，抗压兼抗拔桩。基础埋深12.1m，远大于建筑结构高度的1/18。经复核，风荷载及水平地震作用下基底均不出现零应力区，可满足高层建筑结构抗倾覆稳定要求。

3 地下车库设计

地下车库采用框架剪力墙结构，局部增加的剪力墙，主要有两个作用:一是为了使得地下1 层与地上1 层的剪切刚度比大于2，满足正负零作为地上单体嵌固端的要求，二是为了更好地保证室内外高差处水平力的传递。商业楼室内及室外相关范围内，正负零零层采用梁板式结构，板厚180～250，双层双向配筋，且配筋率不小于0.25%。

4 上部结构设计

(1)超限情况的判定

根据“住房和城乡建设部关于印发《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知(建质〔2010〕109 号)”，对商业楼的超限情况判定如下:①商业楼结构高度29.2m，采用现浇钢筋混凝土框架结构，属于A 级高度高层建筑，高度不超限。②商业楼3 层以上竖向构件缩进大于25%，属尺寸突变(立面收进);③商业楼地上楼层存在多处楼板有效宽度小于50%，开洞面积大于30%的情况;④商业楼3 层和4层之间质心相差达18m，大于相应边长的15%，同时，考虑偏心扭转位移比大于1.2，小于1.4。

综合以上分析，商业楼属于超限高层建筑。

(2)上部结构计算分析

在小震作用下，全部结构处于弹性状态，构件承载力和变形应该满足规范的相关要求。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3 -2010 第5.1.12 条的要求，本工程采用SATWE 与PMSAP 两种不同分析软件分别进行了整体内力及位移计算，两种软件的计算结果基本一致，结构体系满足承载力、稳定性和正常使用的要求。楼层最大位层间移角小于1/550，满足JGJ 3 -2010 第3.7.3 的要求;在刚性楼板假定下，虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值均小于1.4。

根据建筑抗震设计规范GB50011 -2010 第5.1.2 条，对不规则建筑应采用时程分析进行多遇地震下的补充计算。本工程所选的三条波为TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035，每条时程曲线计算得到的结构底部剪力均大于CQC 法的65%，三组时程曲线计算得到的底部剪力平均值大于CQC 法计算得到的底部剪力的80%，故所选三条波满足规范要求。时程分析的结果表明，结构体系无明显薄弱层，时程分析法包络值较CQC 法计算结果小，故结构的小震弹性设计由CQC 法计算结果控制。

根据高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3 -2010 第5.1.13 条的要求，对商业楼采用弹塑性静力分析方法进行了补充计算。两个方向罕遇地震下性能点最大层间位移角均小于1/50，小于规范弹塑性位移角限值，因此宏观上商业楼所用结构体系能保证大震不倒的设计要求。

在通过二阶段设计实现三个水准的基本设防目标以外，针对本工程的具体情况，提出了以下抗震性能化目标:

①设防地震作用下，中庭连廊等薄弱处楼板内双层双向钢筋不屈服;

②设防地震作用下，悬挑梁根部框架柱及大跨梁两端相连框架柱斜截面抗剪按弹性设计，正截面抗弯按不屈服设计;

PMSAP 楼板应力分析结果表明，中庭连廊根部、平面凹口阴角位置一般为应力集地区域，在多遇地震作用下，楼板主拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值，楼板不会开裂，在设防地震作用下，应力集中位置楼板主拉应力略大于混凝土抗拉强度标准值，但适当加大楼板配筋，即可满足楼板内钢筋不屈服。

在设防地震作用下，利用SATWE 进行弹性设计和不屈服设计，分别校核悬挑梁根部框架柱及大跨梁两端相连框架柱的箍筋和纵筋，并与多遇地震计算结果一起进行包络设计。计算结果表明，配筋值均在合理范围，配筋切实可行。

通过以上性能化设计措施，在对结构的经济性影响较小的情况下，提高了结构的抗震性能，增加了建筑的安全性。

(3)上部结构设计

针对偏心布置和扭转不规则，设计时，尽量使结构抗侧力构件在平面布置中对称均匀布置，避免刚度中心与质量中心之间存在过大的偏离;加强外围构件的刚度，增强结构的抗扭性能。计算时，考虑偶然偏心的影响，设计时适当加强受扭转影响较大部位构件的强度、延性及配筋构造。通过调整结构布置，将考虑偶然偏心下的最大位移比严格控制在1.4 以下，第一扭转周期和第一平动周期比严格控制在0.9 以下。

针对立面收进带来的扭转不利影响而采取的抗震措施详第(1)条。构造上，对收进楼层(4 层)加厚至140mm 且双层双向加强配筋，配筋率不小于0.25%，但为减小大跨部分楼板自重，室内大跨度区域楼板厚120mm，屋面大跨度区域楼板厚130mm，收进部位上下层楼板(3 层和5 层)厚度不小于120mm，并双层双向加强配筋。根据《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3 -2010》的相关规定，体型收进部位上、下各两层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级提高一级，框架柱在此范围内箍筋全高加密，提高纵筋配筋率;收进部位以下两层结构周边竖向构件配筋加强。

针对因开洞形成楼板不连续情况，整体计算时按实际开洞情况建模，并将以上楼层定义为弹性膜，以考虑楼板不连续对结构的影响;同时，构造加厚连廊等薄弱区域楼板至130mm 厚，并双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。

5 结语

本文对某超限高层商业楼的结构设计进行了简要介绍，主要的设计要点可总结如下:

(1)结合建筑功能和结构布置合理设缝，规避平面布置的不规则;(2)优化布置结构抗侧力构件，适当加强外圈构件的刚度，提高结构的抗扭性能;(3)采用两种软件进行多遇地震弹性分些，结构应满足相应的强度和刚度要求;(4)对结构进行多遇地震下的弹性时程分析，验证结构体系的合理性，并与振型分解反应谱法进行包络设计;(5)补充罕遇下的静力弹塑性分析，控制性能点层间位移角不大于规范要求;(6)根据工程的具体情况，提出合理的抗震性能化设计目标;(7)利用概念设计原理，结合规范要求，对薄弱部位进行构造加强。

［1］吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南［M］.上海:同济大学出版社，2005.