2018超限高层结构设计及计算分析研究
摘要：通过结合某高度超限高层结构设计实例，通过经济性比较分析，对该结构底层1/3高度的柱采用型钢混凝土柱，结构类型仍采用框架核心筒，可有效提高结构经济性；同时按抗震性能3设计，对竖向构件和关键结构构件采取中震不屈服设计，采用SATWE和MADIS有限元软件对该超限结构进行抗震抗风计算及分析，计算结果表明所得到的结构自振特性、层间位移等符合规范要求。http://
关键词：超限高层结构；高度超限；抗震计算分析；结构设计
Abstract: Through the combined with a highly overrun high-rise structure design example, through the economical comparison analysis, the structure of the bottom of the height of the third column using steel reinforced concrete column, still use a frame structure types of the core tube, which can effectively improve the economy structure; At the same time in seismic performance 3 design, to vertical component and key components to take the shock of do not yield designs, adopting the SATWE and MADIS finite element software to the off-gauge structure seismic wind calculation and analysis of the calculation results show that the structure of the obtained self-vibration characteristics, such as displacement between floors conform to the standard.
Keywords: overrun high-rise structure; highly overrun; earthquake-resistant calculation analysis; structure design
中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：
1. 项目概况
本项目为高层酒店商务中心，建筑基底面积1996.08m2，建筑层数为地上50层，地下2层。结构高度为202.70m，基础底板面标高为－10.300m。第一层层高5.5m，二～三层层高均为5.0m米，四～六层层高分别为5.0、6.2及5.8m，标准层层高为3.7m，避难层层高为3.7m。外围轮廓尺寸为65.4m x35.3m，核心筒尺寸为46.2m x10.0m。建筑高宽比为5.7，核心筒高宽比为20.2。
2. 超限结构类型与布置
对于结构类型来说，高层建筑由于出现超限，所以其结构类型以及结构构件布置等相当讲究，这将决定超限结构是否能满足其抗震以及抗风等问题。为此，在考虑结构类型以及布置方面的加以考虑：
2.1结构体系分析比较
本工程塔楼采用钢筋混凝土结构，框架－核心筒体型。其中底层1/3高度的柱采用型钢混凝土柱，在第49层具体的抬柱梁采用型钢混凝土梁，其他均采用混凝土构件。塔楼抗震设防类别为丙类，核心筒抗震等级为一级，框架抗震等级为一级。建筑物平面与立面均比较规则，主楼在地面2层局部位置有开洞的中庭外没有大开洞削弱，除顶步几层设有抬柱外梁，没有竖向构件的转换，也没有设置加强层。
本工程外体型为矩形，但是建筑布置的核心筒为长扁性，结构设计的难度在于Y向的侧向刚度，特别是Y向风荷载作用下的侧向刚度。经试算核心筒尺寸为46.2m x10.0m，核心筒Y向高宽比为20；由于结构体系Y向侧向刚度不能满足要求，在外柱和内筒之间位于过道的一侧加一排柱子，该方案采用混合结构，梁柱全部采用型钢混凝土构件，结构构件多，施工复杂，用钢量大，经济性较差。从经济性出发，调整核心筒的建筑布置，使结构的核心筒高宽比适中，充分发挥框架核心筒结构的优势，形成新版的结构方案。新方案的核心筒尺寸为32.5m x 12.3m，核心筒Y向高宽比为16.5，核心筒抗侧力刚度大幅度提高。由于核心筒外扩提高了侧向刚度，减少了框架梁的计算跨度，对结构构件进行了大幅优化。把原结构体系混合结构改为混凝土结构。主要措施有取消中间的两排柱子共10根；原型钢混凝土梁改为钢筋混凝土梁；取消核心筒的暗柱钢骨；框架柱仅仅在底部1/3的位置设置钢骨，上部为混凝土柱。
在细节方面主要采取的措施有：提高核心筒体的完整性，和建筑协商把管道井的门洞从筒体墙处尽量移到过道处；把底部的钢骨中钢板截面控制在较小截面内，提高钢板的受力性能和经济性；上部柱子在轴压比、侧向刚度满足要求的前提下优化柱截面等；柱截面采用扁柱，有利于结构刚度的需要和减少梁的计算跨度；周边环梁在不影响建筑的情况下提高截面高度，对提高结构抗侧刚度和抗扭刚度效果明显。
通过以上主要措施，结构经济性大幅度的提高，结构总质量相比原方案减少近20%，标准层单位质量在16KN/M2左右，采用混凝土结构经济合理。新方案钢骨含量不到为原方案的1/6，钢骨含量大幅度降低。
2.2结构超限类型
本工程结构高度203.30m，高宽比5.8，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002），抗震设防烈度为7度，B级高度框架-核心筒的最大适用高度为180米，最大高宽比为6。本项目超过了高层规程中B级建筑最大适用高度，满足B级建筑最大高宽比，属高度超限。另外，虽然本工程平面形状规则，立面简单、无开洞及连体，无加强层、转换层，周围地形和环境也较简单，但是由于房屋高度大于200米，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第3.2.8条规定，本工程需进行风洞试验，试验结果取最不利工况回代进行软件模型计算的复核。
3. 超限结构抗震设防
本超限结构主要建筑功能用途为高级酒店，其装修费用占整个建造费用的比重较大，本工程不仅要为避免地震对结构的破坏，还应尽量避免地震对装饰层的损坏，如过大的层间位移会引起装饰层的裂缝等。本工程抗震设防类别为丙类，设防烈度为七度，场地条件较好，场地类别为二类，本工程是高度超限，综合考虑经济等因素，本项目抗震性能目标采用《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录M中的性能3，或者高规征求意见稿的性能C。
（1）针对本结构超限特点采取有效的技术措施，由于结构高度超限且柱距较大，在恒载、地震及风的作用下，外框柱的内力很大，如采用普通的C60混凝土，柱截面依然很大而影响建筑功能的发挥。因此，本结构在底层1/3采用型钢混凝土柱，在柱子中布置型钢，含骨率约为4~8%。
（2）本工程承载力按抗震性能3设计，抗震等级按1级设计。为了有效地提高混凝土核心筒Y向刚度，同时考虑到如果核心筒Y向墙体大部分采用单肢墙到顶的结构方案可能导致墙体延性不足的不利影响，本工程对于Y向墙体底部1/3两端暗柱除满足计算配筋外，提高0.1%的配筋率，从而提高承载力的方法增加抗震的安全性。
（3）另外，本工程是混凝土框架核心筒结构，中震，小震计算时，外框的内力调整不受最大值2倍的限制（注SATWE默认是最大调整系数为2.0）。在小震计算时，底部层高大于5米的楼层外框柱承担的剪力取底部总剪力的20%和计算楼层最大剪力1.5二者的较大值（注规范为较小值），以提高二道防线的抗震能力，对于外框架柱还要满足中震不屈服要求。
（4）对软弱层重点加强。本项目由于底部层高较高，建筑的6层为避难层，此层下层高是5800mm，上部是3700mm，由于高度的变化，此层下部刚度为上部刚度的比值X向为0.723，Y向为0.704，满足规范要求；本层侧移刚度与上三层平均侧移刚度的比值X向为0.785，Y向为0.754，不满足规范要求，为软弱层。本工程为侧向刚度不规则，规范规定刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数，考虑到本工程位超限工程，采取的抗震措施是1.15的增大系数放大1.05倍，即6层的地震剪力应乘以1.15x1.05=1.20的增大系数。
（5）对竖向构件和关键结构构件采取中震不屈服设计。对于普通非超限结构，其中震下的结构承载力及变形验算已通过小震验算得以保证，一般不需另行验算。但对于本工程，进行了性能化设计，结构整体性能达到性能C，对竖向构件和关键构件不仅满足小震弹性，还要满足中震不屈服，以增加结构的安全度。
（6）采用MIDAS软件对结构进行静力弹塑性分析，找出结构在大震作用下的薄弱环节，并对此进行适当的加强处理，如地面以下的剪力墙在推覆分析中有损伤，本工程主楼范围内地下二层的竖向构件抗震等级同地上部分取一级。
4. 超限高层结构计算分析要点
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，应采用两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。为此，对于小震作用下的模型采用SATWE进行计算，采用MIDAS进行校核。中震不屈服设计采用SATWE进行计算，作为关键部位、竖向构件设计依据。对于大震弹塑性分析，则采用MIDAS软件进行静力弹塑性推覆分析。对于采用SATWE软件计算得到的地震力、弯矩、层位移层位移角的变化，从计算结果表明，本工程采用的SATWE与MIDAS两个校核程序的计算结果基本一致，说明结构体系、结构布置与构件尺寸基本合理。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，B级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该层平均值的1.4倍。计算结果显示， 在考虑偶然偏心的地震作用下，楼层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，X向为1.06，Y向为1.18，满足规范要求。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第4.3.5条规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，B级高度高层建筑不应大于0.85。本工程该比值为0.55，满足规范要求。
本工程楼层层间最大位移与层高之比△u/h限值为1/588（结构高度按202.70m计）本工程计算的最大层间位移角为1/ 703 (第33层，Y向风作用)，符合规范要求。采用MIDAS进行静力弹塑性分析结果表明，在大震作用下，结构无明显的薄弱环节，最大弹塑性层间位移角Y向为1/169.5，满足规范要求，保证结构在大震作用下的性能要求。
5. 结语
本工程是高度超限，抗震性能目标采用《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录M中的性能3。通过对大中小地震作用下的三个水准的抗震分析表明，通过适当的加强措施，能够达到抗震规范规定的性能3的设防目标。
参考文献
傅汉民．超限高层结构抗震设计――上海新金桥广场．四川建筑，2004，23(10)：13-18
施礼德，马心俐．某超限高层的结构分析设计．广西大学学报(自然科学版) ，2005，17(10)：1-6
胡侃．某复杂超限高层结构抗震计算与分析．低温建筑技术，2007，27(10)：36-39
页:
[1]