复杂超高层结构设计分析

文｜梁文华 李世勇

1工程概况

复杂高层和超高层建筑结构复杂、施工难度大，在进行结构设计需要考虑的因素很多，必须结合工程项目的高度和规模、地质条件、所在地区的抗需要求等情况，进行深入分析和研究，根据有关规范和要求，确定合适的结构体系和类型，坚持安全、经济实用为原则，设计出质量安全可靠、造型美观、功能齐全的复杂高层与超高层建筑物，

为市民提供舒适体验与审美体验，促进城市有序发展。

某工程设计项目，总建筑面积27.98万m2，地上由1座40层173.7米高的办公楼塔楼（2A座）、2座43层140米高的公寓塔楼（2B、1A座）、3座30层100米高的住宅塔楼及3～4层的商业裙房组成；地下为满布3层地下室，其中地下1层局部为商业及设备用房，其它部分为车库，地下2、3层为车库（见图1）。

图1 某工程项目示意图

图2 2A座塔楼结构三维示意图

受篇幅所限，主要介绍2A座超高层办公塔楼，结构高度为173.7m，地上40层，地下3层，其中地上4层为商业裙房，5层及以上各层为办公，层高4.2m；11层及26层为避难层，层高5.5m。塔楼结构体系为框架-核心筒，在14层以下框架柱设型钢。其建筑结构三维示意图见图2、剖面图见图3。

按《高规》第3.3.1条定义为B级高度结构。根据《高规》，本工程框架梁、柱抗震等级二级，剪力墙、连梁抗震等级二级。

根据《建筑抗震设防分类标准》，本工程抗震设防类别：住宅为丙类，集中商业为乙类。根据《建筑抗震设计规范》，本工程所在地区抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，基本加速度值为 0.05 g。结构设计时，在小震作用下，按安评报告的地震动参数计算。本项目位于6度区，但安评报告小震地震影响系数超过了规范7度的水平，所以中震、大震作用按安评报告提供的地震动参数取值，包括反应谱和加速度峰值，见图4。

图3 2A座塔楼剖面图

图4 多遇地震水平地震影响系数曲线

根据《建筑结构荷载规范》，变形计算取50年一遇的基本风压，ω0为0.75kN/m2。根据《高规》，强度计算按1.1×ω0取值，地面粗糙度为C类。

2 结构布置

见图 5（a）至（e）。

3 超限类型及工程抗震性能目标

(1) 根据《高规》表3.3.1-2，属于B级高度高层建筑。

(2) 局部的穿层柱。

根据上述超限项检查，该项目不规则项超过适用范围较少，将结构抗震性能目标定为C级。

4 项目特点及设计处理

（1）结构超高：本项目办公塔楼为173.7m，地上40层，按《高规》第3.3.1条定义为B级高度结构。结构的高宽比为173.7/36.2=4.8，核心筒高宽比为173.7/12.2=14.2。

复杂高层和超高层建筑，建筑物高度超高，须结合建筑平面布局，选择相应合适的结构体系，控制结构层间位移，确保建筑物抗侧能力，以保证建筑物的安全性和稳定性，本塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。

复杂高层和超高层建筑结构的变形和内力计算分析包括弹性计算、弹塑性分析计算，根据需求选择合适的软件进行计算分析。本项目采用了2 种结构模型分析软件，采用了YJK和ETABS进行多遇地震，设防烈度地震及风荷载作用下结构整体计算分析，准确分析各结构构件梁、柱、墙的受力表现，满足性能目标。

图5（a） 第2层结构平面布置示意图

图5（b） 低区～中区奇数层结构平面示意图

图5（c） 低区～中区偶数层结构平面示意图

图5（d） 高区奇数层结构平面示意图

图5（e） 高区偶数层结构平面示意图

表1

表2

根据竖向构件的轴压比及体系层间位移角指标，框架柱截面从底部1400×1200到上部楼层分段收小，顶部楼层段为800×800；核心筒外围剪力墙厚度从底部700mm分段收进至400mm；标准层框架梁截面为500×800，主要构件截面见表1。风荷载作用下本塔楼层间位移角为1/645（Y向风荷载作用，24F），地震作用下本塔楼层间位移角为1/772（Y向地震作用，28F）均小于规范限值1/608。在满足受力及位移角指标需求的前提下分段收进减小竖向构件截面，既能减小结构自重又能有效增加建筑使用面积（见表2）。

（2）楼层开洞及核心筒调整。本项目共设置了三个建筑避难层，分别为十二层、二十二层、三十二层。建筑功能根据避难层分段，电梯也会相应调整其分区。核心筒剪力墙会根据建筑功能及房间布置，在分段处有收减调整。为使产品更丰富，各标准层均有一柱跨楼板设置开洞形成通高空间，在低区和中区其开洞位置为左上、右上两个角部柱跨；在高区偶数层设置在核心筒右侧柱跨，核心筒剪力墙因此进行了收减。

（3）二层局部开大洞，外框柱为越层柱。办公塔楼二层入户大堂处设置上空，为两层10.2m的通高空间，在性能化设计计算分析时须重点关注越层柱的受力表现，加强箍筋配置，提高越层柱的抗剪能力。

（4）底部楼层框架柱设置型钢。从基础顶至十六层楼板面框架柱设置了型钢，为型钢混凝土柱。若不设置型钢，则混凝土柱截面需做到1600×1600，柱截面过大影响建筑使用面积，对地下室停车效率有较大影响。设置型钢后，柱截面可控制在1400×1200，获得更好的建筑效果和经济性。

5 罕遇地震作用下动力弹塑性分析

5.1 分析方法

弹塑性分析可分为静力弹塑性分析（pushover）和动力弹塑性分析，本工程采用基于隐式积分的动力弹塑性分析方法，具有完全的动力时程特性。计算时直接输入地震波，考虑了几何非线性“P-△”效应，考虑了材料非线性，可准确模拟结构的破坏情况。

5.2 分析软件

采用弹塑性性能软件PERFORM 3D进行分析，PERFORM 3D (Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structure)三维结构非线性分析与性能评价软件，是一个致力于抗震设计的非线性软件工具，通过使用以变形为基础或者强度为基础的极限状态来进行复杂结构的非线性分析，包括纤维截面的剪力墙单元。PERFORM 3D软件结合美国抗震规范ATC-40和FEMA-356或ATC-440自动对结构进行评价。目前Perform 3D和Sap2000、Etabs同为美国CSI公司的结构设计软件，在结构弹塑性性能分析方面广泛应用。

5.3 非线性地震反应分析模型

模型单元包括混凝土梁，混凝土柱（包括斜柱），剪力墙。各单元通过共节点连接在一起，构成整体模型。采用刚性楼板假定，但局部大开洞部位采用弹性板，弹性板及开洞边独立的柱子节点不包括在刚性楼板范围内。

本工程应采用动力时程分析进行罕遇地震作用下的弹塑性计算，地震波由安评报告提供场地人工波；天然波采用Ecentro天然波、Taft波，及KX波天然波输入采用双向同时输入，加速度最大值主方向：次方向=1:0.85。

通过对梁弯矩铰转动性能、梁抗剪性能、柱PMM铰性能、柱剪力性能、剪力墙混凝土压应变、剪力墙钢筋应变性能的分析，构件性能均能达到性能目标（见图6、图 7）。

通过对二层局部开大洞口处楼板受弯、受剪、受压、受拉分析，可得出承载力状态均可满足要求。

6 结论

复杂高层建筑和超高层结构不断涌现，在进行具体结构设计时，需要做好有关建筑结构的概念设计、抗风和抗震的抗震性能、结构抗侧力体系、软件选择和计算的准确性以及结构方案和结构类型选择等，同时还要选择合适的施工技术及抗震性能优良的施工材料，提升建筑物的稳定性和安全性，促进目前建筑行业进步与发展。

图6

图7