探讨高层建筑塔楼结构的超限设计要点

◎蒋劲松

随着城镇化建设的加快及建筑技术的进步，复杂高层建筑不断增多，极大满足了人们对建筑的个性化造型和功能的需求。但与传统高层建筑相比，复杂高层建筑结构设计更加复杂，要求也更高，难度更大，需要考虑的因素更多。文章结合笔者设计实践，对复杂高层建筑结构设计特点、类型、设计要点等进行深入探讨，供广大设计同行参考。

一、工程概况

万科地铁上东雅苑是长沙轨道交通2号线黄兴车辆段地铁运用库的上盖物业，功能为住宅，位于长沙市长沙县黄兴镇，轨道交通2号线终点站光达站北侧，地形平坦开阔，盖下部分为已完成并投入使用的地铁2号线运行库，总建筑面积111304.5平方米。

3#塔为高层建筑，框支框架结构，建筑高度48.15米，2层裙房，裙房以上11层，共13层，结构最大平面尺寸为77.5m×80m，建筑面积约1.85万平米（三层及以上）。一层裙房为地铁运用库，建筑高度9.0米，二层裙房为停车场、商业及设备用房，建筑高度4.9米。

二、结构计算

3#塔抗震设防类别为一层：乙类，二层及以上：丙类，框架结构，基本设防烈度为6度（0.05g），建筑高度为48.15m（n=13）。本工程在二层由单塔变成双塔，在三层由双塔变成四塔。

超限内容为：

1.扭转不规则（偏心布置）。

2.刚度突变（尺寸突变）。

3.构件间断。

复杂高层和超高层建筑，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支框架结构。

超限高层建筑结构的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。

图1三维立体模型

PKPM和JYK各项整体计算结果均满足规范要求。两者互相印证；可以满足3#塔抗震性能目标为C中：在多遇地震作用下结构整体达到第1抗震性能水准要求。结构第一扭转震型与第一平动周期的比值均小于规范允许值0.85，并无楼层承载力突变的情况，但结构侧向刚度不规则。弹性时程分析表明，振型分解法结果起主要控制作用。部分楼层时程分析法计算结果包络值比CQC法计算结果偏大，配筋设计中需要对相应楼层的剪力进行相应的调整，地震力放大到1.01倍，其地震剪力应按照CQC法与时程剪力的包络值之比值进行调整。弹性计算结果表明，小震时达到抗震性能水准1的性能要求，结构构件的正截面承载力及受剪承载力均满足弹性设计要求。

三、罕遇地震超限分析——动力弹塑性时程分析及其结果

1.分析方法。弹塑性分析可分为静态弹塑性分析和动态弹塑性分析。本课题采用基于隐式积分的弹塑性动力分析方法，具有完整的动力时程特性。计算中直接输入地震波，考虑了几何非线性P-△效应，并考虑了材料非线性，能准确模拟结构的破坏。

2.非线性地震反应分析模型。模型单元包括混凝土梁和混凝土柱。这些单元通过公共节点连接起来，形成一个整体模型。采用刚性楼板假设，刚性楼板不包括弹性板和洞口边缘的独立柱节点。

在罕遇地震作用下，对本项目使用SAUSAGE动力时程分析进行弹塑性计算。本工程采用两组自然波TH004TG040、TH078TG040和一组人工波RH4TG040，采用SAUSAGE软件进行罕遇地震计算分析。根据规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析的地震加速度为125cm/s2。每组地震波分别在地震主方向的X方向和Y方向加载，主方向与该方向的峰值加速度比为1:0.85。

四、罕遇地震弹塑性时程分析结论

3#塔在大震下首层框架局部出现轻度损伤，可以满足地铁运行库的使用要求；二层转换柱部分轻度损坏、转换梁均为轻微损坏。

1.考虑二阶效应，3#塔在地震作用下最大顶位移为0.186m，最终仍能保持直立，满足“不受大地震影响”的设防要求;

2.3#塔在各组地震波作用下的最大弹塑性层位移角为1/149，结构无明显薄弱层，满足规范要求;

3.首层基本保持弹性状态，保证地铁运行库在大震中能够继续运行使用，二层转换梁及转换柱等关键构件处于轻度损坏，大震中不会对下部地铁运行库的使用造成影响。

4.楼板无大面积破坏，均为轻微或轻度破坏，能保证在大地震下水平力的良好传递。

综上所述，该结构具有良好的抗震性能，满足抗震性能要求。

五、针对超限情况的措施

1.抗震等级：对钢筋混凝土框支柱按二级抗震；三、四层柱截面适当加大，抗震等级按二级考虑，五层及五层以上按三级抗震考虑。

2.轴压比控制：框支柱轴压比控制在0.60（一、二层）以内；三、四层轴压比控制在0.75以内，五层及五层以上轴压比控制在0.80以内。

3.配筋率：一层框架柱最小配筋率按1.2%控制，边柱及角柱按1.3%控制。二层框支柱配筋率不小于1.2%，其余柱配筋率不小于1.0%。三～六层柱截面和配筋适当加强，比规范要求最小配筋率增加20%。所有框架柱在小震计算配筋结果的基础上放大1.25倍，所有框架梁在小震计算配筋结果的基础上放大1.15倍。

4.最小体积配箍率：一、二层柱箍筋体积配箍率不小于0.9%，全长加密。三层以上角柱体积配箍率不小于0.8%，全长加密。

5.框支转换梁：框支转换梁验算结果以SATWE模型结果在αmax=0.12,抗震等级为二级时不超筋为基准，在αmax=0.17,不记抗震等级调整地震效应的设计值复核，结合大震不屈服判断进行配筋修正。

七、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。