某综合体建筑超限高层结构设计研究

开源国际建筑设计院（广州）有限公司，广东 广州 510000

综合体建筑作为我国重要的建筑建设项目，突破了建筑功能局限性，提高了空间资源利用率。由于综合体建筑结构较为复杂，稳定性相对较差，必须对其楼层进行限定[1]。随着社会经济的快速发展，人们对综合体建筑楼层的高度提出了新的要求，如何在满足稳定性的前提条件下，尽可能地满足建筑空间的扩大需求，制订超限高层结构方案，成为建筑领域的重要研究方向[2]。

1 工程概况

某建筑物坐落于商业圈，与地铁站距离较短，交通便利，集办公、休闲娱乐、居住等多项功能于一体。由于建筑功能较为复杂，为了满足不同楼层的使用需求，分别为其设定层高，并设置防震缝，以此加强各个楼层钢筋的稳定性。

2 建筑超限高层结构设计

2.1 建筑总体结构体系设计

该研究将核心筒插入建筑结构模型中，获取双道抗震防线的构件，为提高建筑结构稳定性奠定基础。建筑总体结构体系设计方案如图1所示。在图1中，左侧是建筑结构模型，中间是核心筒，右侧是框架柱，该结构内部含有建筑的第1道抗震防线构件，稳定性能较高。

图1 建筑总体结构体系设计方案

2.2 基于力学模型的建筑结构调整

扭转位移比μ是建筑结构偏心的重要参数，通常情况下，采取减小楼层质量中心与刚度中心之间的偏心距的方法控制μ＜1.4[3]。由于该研究项目建筑未设防震缝，在塔楼的一侧存在裙楼偏置情况，在此条件下μ＞1.4。经计算分析可知，这种常用的操作手段无法控制μ，其原因是竖向体型收进期间裙楼上半部分楼层的结构刚度与标准存在一定差异，使抗震性能严重偏离预期目标。综合体建筑结构力学模型如图2所示。

图2 综合体建筑结构力学模型

假设塔楼地震力为F1、塔楼质量为m1、塔楼结构刚度为K1，楼层扭转位移比μ与裙楼地震力F2、塔楼质量m2、塔楼结构刚度K2存在相关关系，用以下公式来描述：

如果仅调整楼层结构构件，认为建筑总质量和结构质量分布对构件的影响较小，并且在调整局部构件的刚度时，建筑整体结构周期变化幅度较小，其影响可以忽略不计。依据反应谱曲线变化特点认为，结构质量、结构周期、地震力之间存在一定的相关关系，地震力随着其他两个变量的减小而下降。由此可以推断，要想调整竖向构件刚度，需要保证参数F2、F1、m2、m1恒定。依据此关系，对公式（1）进行转换，可以得到关系模型：

设计建筑结构期间，为了调整参数μ，使其满足结构构件布置要求，需要考虑以下三种调整情况：（1）无偏心，参数记为μ0；（2）正偶然偏心，参数记为μ1；（3）负偶然偏心，参数记为μ2。该方案以4层建筑物为例，将建筑项目相关数据代入公式中，可以得到计算结果。由此可知，该建筑工程受正偶然偏心的影响最大。另外，通过计算还可以掌握参数μ1与参数η之间的关系，二者之间同样存在正相关关系。因此，建筑结构调整方案中，应该减小参数η，如增加裙楼刚度等，确保建筑各个楼层参数μ数值均＜1.4。

2.3 结构平面布置设计

该建筑塔楼平面为长方形，长度为30.8m、宽度为43.6m，结构高宽比设置为6.4，建筑中央位置布设核心筒；布设平面尺寸长度为23.9m、宽度为13.3m，结构高宽比设置为14.9。以建筑上部分酒店功能和办公功能为例，设计结构平面布置方案如图3所示。

图3 建筑上部结构楼层平面布置设计方案（单位：mm）

图3（a）对办公用房楼层平面布置进行设计，标注了楼层各个单元活动面积划分尺寸；图3（b）对酒店客房楼层平面布置进行设计，标注了楼层各个单元活动面积尺寸。这些建筑结构具有相同的布设特点，均选取柱内型钢作为结构延伸性提高工具。在界面的底层布设型钢混凝土柱，规格为1700mm×1700mm，随着楼层的增加，型钢混凝土柱尺寸逐渐减小，顶层规格为800mm×800mm，采用分段收进方法进行布置。

2.4 风荷载与地震设计规范

该设计方案以《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）为参考依据，设定风压参数为0.45kN/m2，按照建筑结构技术施工规程，将施工场地地面粗糙程度设定为B类，取值1.44。按照50年重现期，取基本风压参数数值是规范值的1.1倍，根据承载力和位移两项指标数值的设定，将结构阻尼比设定为5%。

另外，按照《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010），设定该项目的抗震设防指标为7度。通过现场实地勘察可知，施工现场地震类别为Ⅲ类，对应的特征周期为0.5s。当建筑所处位置发生大型地震时，特征周期为0.55s，结构阻尼比为0.06。当该区域发生的地震等级为中等或者低等时，结构阻尼系数比有所减小，取值0.05。

3 高层建筑结构超限判断及建筑抗震性能分析

为了验证上述设计方案是否可靠，文章对设计方案进行模拟仿真分析。建筑结构抗震性能模拟测试结果如表1所示。

表1 建筑结构抗震性能模拟测试结果

从表1中可以看出，文章提出的建筑结构设计方案具有较强的抗震性。在满足结构抗震安全性要求的同时，为人们提供了多项服务。

4 结论

文章通过对上述工程项目进行技术分析与调整，得出以下结论：（1）在建筑竖向体型收进，楼的一侧存在裙楼偏置情况，建筑未设防震缝的情况下，抗震性能严重偏离预期目标。常规手段无法控制扭转位移比μ。（2）仅调整楼层结构构件，建筑总质量和结构质量分布对构件的影响较小，调整局部构件的刚度时，建筑整体结构周期变化幅度较小，其影响可以忽略不计。（3）结构质量、结构周期、地震力之间存在一定相关关系，地震力随着其他两个变量的减小而下降。（4）扭转位移比μ与塔楼裙房之间刚度比η存在正相关关系。可以通过增加裙楼刚度等方法调整刚度比，确保建筑各个楼层参数μ数值满足预期要求。