超限高层建筑结构设计分析*

王 辉

(山西省建筑设计研究院有限公司 太原 030013)

1 超限高层建筑结构设计概述

所谓超限高层建筑工程,一般是指超过结构规范限制要求的建筑工程。而根据超限高层建筑审查的相关规定,可对超限高层建筑进行分类,一般可按照高度、规则性以及其他进行归类。

(1)高度超限,是指建筑工程的实际建设高度超过规范允许的该类型建筑的最大适用高度,且当建筑工程的平面与竖向均为不规则时,则最大适用高度应按照规定要求降低10%左右。

(2)规则性超限,则是指建筑工程的整体结构布置与一般建筑工程结构之间呈现出一定的差异性,如结构扭转偏大、层刚度较小、塔楼偏置等平面不规则和竖向不规则,如典型的中央电视台总部大楼,以6°倾斜高度的塔楼,利用L 型悬臂结构连接,形成了独特的规则性超限高层建筑工程。

(3)其他类型的超限建筑工程,则是指特殊类型高层建筑、大跨屋盖建筑、加层结构及其他超规范建筑。

2 超限高层建筑结构设计实践

2.1 工程案例

为更好的探究超限高层建筑结构的设计全过程,本文结合某超限高层建筑工程对该工程的超限进行判定对其性能目标进行分析研究。该建筑工程建筑功能为为办公与商业,整体建筑地上32层,其中地上1～4层为商场,地下2层为停车场。结合该建筑工程的实际情况,为做好超限高层建筑的结构设计,在该建筑的5、16、23层设避难层,其他所有楼层则为标准办公楼层。该建筑高度为156.23 m,并在地上第4层设置转换层。结构形式:框支-剪力墙混凝土结构;平面为H 型;结构高宽比:5.82;设计工作年限:50年;抗震设防类别:乙类;结构安全等级:二级;抗震设防烈度:6度(0.50 g)。

2.2 超限情况与设计目标

对其超限情况加以判定,并确定其抗震性能目标。

该建筑工程项目按照JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程中判定,存在以下几点超限。

(1)B级框支剪力墙结构建筑工程最大适用高度为140 m,该建筑高度为156.23 m,高度超限。

(2)本项目1～4商业层结构位移比为1.35,大于1.2,存在扭转不规则。

(3)本项目1～4层商业楼层结构均存在大开洞,开洞面积大于该层楼层面积的30%,存在楼板局部不连续。

(4)本项目第4层设置水平转换梁对上部剪力墙加以转换,存在竖向抗侧构件不连续[2]。由上可知,本项目存在①高度超限;②扭转不规则;③楼板局部不连续;④竖向抗侧构件不连续四项超限内容,故本项目属于超限高层建筑。结合抗震设防烈度、设防类别、施工成本以及安全要求等影响因素,确定本项目抗震性能目标为C级。

2.3 基础设计

根据结构形式及楼层高度,通过对施工现场的勘察并结合工程勘察数据,确定主楼基础形式采用桩基础,以强风化板岩作为结构持力层。通过对桩基础端的强风化板岩结构持力层承载力进行计算,对无法满足承载力要求的桩,选择中风化板岩作为桩端持力层。

根据主楼使用要求,其下部商业部分层高为5.4 m,要求大使用空间,需采用框架结构;建筑上部根据使用功能需采用剪力墙结构;因而本项目在第4层设置转换层,考虑竖向构件传力要求,选择框架梁式转换层的方式。如图1与图2所示为本项目转换层以及标准层平面布置图。对1～4层转换构件及下部相连构件提高抗震措施,抗震等级均采用特一级设计。

图1 转换层平面布置图

图2 标准层平面布置图

主楼1～4层剪力墙厚度为500 mm、600 mm,且该部分中的剪力墙混凝土强度等级均提高至C60;主楼5～29 层中的剪力墙厚度设计为500 mm、400 mm,主楼30～顶层剪力墙厚度为200 mm 厚度,混凝土强度等级为C60～C35[3]。

2.4 结构抗震性能分析

根据一般建筑工程的抗震设防分类标准,在建筑结构中常用人数超过8 000时,应当将该建筑设定为重点设防类。商业建筑的防震类别设计按照区段中最高人流量5 000人加以计算,则换算为面积约等于17 000 m2左右;办公建筑按照10 m2/人的标准对防震面积进行计算。考虑到本文中所选择的建筑工程其属于办公与商业综合性的建筑,总建筑面积为67 680 m2,分别按照上述标准计算,经过详细计算合计允许使用人数超过8 000人。因此本工程抗震设防分类为重点设防类(乙类)。

2.4.1 小震反应谱分析

结合本项目的抗震设防分类,对该工程抗震性能进行分析。使用YJK 对主体结构进行小震等效弹性分析,并进行小震弹性时程分析,对主体结构进行补充计算。时程分析取18 cm/s2的地震波加速峰值进行计算,同时对X 向以及Y 向进行双向加载,采用一组人工地震波和两组天然地震波的方式进行计算。

计算结果显示,所有时程曲线所得的基底剪力均不小于振型分解反应下地震剪力的65%,且从时程分析曲线可得出,时程分析下部分楼层的层剪力大于振型分解反应普法下的层剪力,因而在设计配筋时,应根据时程分析结果,对主楼的地震作用乘以相应的放大系数进行放大。

2.4.2 中、大震等效弹性分析

根据超限高层建筑工程抗震设防要求及构件的性能目标要求,对主楼进行中震不屈服、中震弹性下及大震不屈服下的等效弹性分析。中震作用下X 向和Y 向位移角分别为1/718和1/750,均不超过最大1/500的限值。对主楼中的转换梁、剪力墙以及框支柱结构等分别进行中震弹性、中震不屈服及大震不屈服下的构件抗震性能验算。

2.4.3 大震弹塑性时程分析

对此工程进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,通过结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为,根据主要构件的塑性损伤和整体变形情况,确定结构满足“大震不倒”的设防水准要求。弹塑性分析软件采用由北京市建筑设计研究院自主研发的非线性结构分析软件Paco-SAP,采用精细有限元模型对结构进行非线性分析。时程分析取125 cm/s2的地震波加速峰值进行计算,同时对X 向以及Y 向进行双向加载,采用了一组人工地震波和两组天然地震波的方式进行计算。计算结果显示,每个工况下都能顺利完成整个时间历程的动力弹塑性计算,数值收敛性良好。地震波计算完成后结构依然处于稳定状态,满足预设的抗震设防目标。结构X 方向及Y 方向的层间位移角均满足钢筋混凝土框架-剪力墙层间位移角1/100 的规范要求。剪力墙及框架柱大部分处于轻微～轻度破坏,局部墙肢处于中度破坏以内,框架梁部分处于轻微～轻度破坏,部分处于中度～重度破坏,起到耗能作用,整体性能指标良好。

2.5 超限结构优化设计举措

针对本项目①高度超限;②扭转不规则;③楼板局部不连续;④竖向抗侧构件不连续四项超限内容。采取以下几方面措施。

2.5.1 剪力墙结构设计

考虑到剪力墙结构的承载力要求,则在结构设计中,对底部加强区墙体结构进行加强,确保受到重力荷载作用时,剪力墙结构也能够始终保持小于0.45的轴压比。同时在剪力墙竖向以及水平方向的钢筋率提到0.45%,满足较高的配筋率需求,确保剪力墙结构具有较强的承载力并适当增强延性[4]。根据弹塑性时程分析结果,对剪力墙进行了损伤分析,根据分析结果,在损伤底部加强较大部位设置型钢。

2.5.2 框支框架结构设计

考虑到主楼采用框支框架结构,在设计过程中,充分考虑地震作用影响下的安全需求,框支柱的轴压比按0.55控制。同时通过增设芯柱的方式促使框支柱结构具有更加良好的承载能力。

2.5.3 高位转换结构设计

由于本建筑工程第4层为转换层,为转换结构,该类型的转换结构具有一定的复杂性,为保障转换结构具有良好的安全性与稳定性表现,在设计过程中对转换层结构采取加强措施。

(1)当在保障符合该超限高层建筑工程使用功能并控制在工程预算范围内的基础上,通过加大梁柱截面积的方式,促使框支剪力墙具有更高的抗侧刚度,从而促使框架结构能够分担较大剪力。

(2)在0.3V0以及1.5Vf·max二者中取较大值作为框支柱设计剪力,对框支柱进行设计。

(3)复核转换梁在小震弹性、中震弹性以及大震不屈服地震作用下等,在不考虑建筑墙体形成共同作用的基础上,对组合效应加以计算,并取其包络值,确保转换梁的承载力。

2.5.4 其他加强措施

(1)为解决结构薄弱问题,通过增加楼板厚度的方式,通过楼板分析计算,板厚取150 mm,并按0.45%的配筋率对楼板进行双层双向配筋设计。

(2)转换层楼板厚取200 mm,并按0.30%以上的配筋率对楼板进行双层双向配筋设计,从而是转换层楼板能够有效的传递水平力。

(3)其余楼层中的楼板厚度均不低于150 mm。

笔者结合某建筑工程实际案例,在设计中采用概念设计和抗震性能化设计方法,根据抗震原则及建筑特点,采用多种计算程序进行了小震弹性、中、大震等效弹性和大震弹塑性的计算,对结构的体系和构件布置进行了详细分析,针对结构中的薄弱环节进行针对性加强,保证整体结构的可靠性、合理性和安全性。