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摘要：本文简要分析了某基于多塔连体复杂体型的高层建筑结构设计工程，探讨了复杂多塔高层结构体系与布置及基于多塔连体复杂体型高层建筑超限结构性能设计标准，论述了针对超限问题设计有效方法，以期为基于多塔连复杂体型高层建筑结构设计工作提供一些参考。
关键词：多塔连体；复杂体型；超限高层；结构设计
引言
基于多塔连体复杂体型的高层建筑结构设计，其具有较强的美观性，但与其他建筑结构设计相比，该建筑结构设计较为复杂，其中涉及到的内容较多，主要包括有局部及连体穿层柱、楼板不连续、多塔等内容，若是其中某一内容处理，不仅会降低整体建筑的美观性，还会影响建筑的安全性。对此，在设计基于多塔连体复杂体型的高层建筑结构时，应严格按照相关标准，科学分析影响建筑结构的众多因素，并不断优化设计方案，以保障建筑可达到理想的设计效果。
1.工程案例简析
本工程位于我国东部地区，总建筑面积大约为40000m2，主要由塔楼与裙房两部分组成，地面一层是大底盘，总共5层。其中，建筑结构标高为25m，1至5层层高依次为5.5m、6.0m、6.0m、6.0m、5.0m，其屋面结构主要使用的是空间网架方式进行连接的。在工程中，该建筑结构设计的使用寿命为60年，结构安全所达到的等级为二级。该工程的建筑场地类型为Ⅱ类，地震组别为一组，特征周期是0.30s，抗震设防的类型为乙类，设防力度6度。该建筑的高度隶属于A级别，虽然该建筑的高度并不是很高，但由于其屋顶连体部位对风的敏感性较强，所以，在对屋顶钢结构进行设计时，适当提高了该部分的风压值，其取值为0.45kN/m2，以提高建筑的风荷载能力。
2.复杂多塔高层结构体系与布置
在对建筑结构体系与布局进行设计时，应综合分析建筑的现场施工条件、抗震等级、高度及用途等因素，之后，根据以上因素分析结果对建筑结构形式进行确定，如：大剧院与群艺馆的屋面连体结构，可使用空间钢结构。基于多塔连体复杂体型高层建筑层间通高的布置方式如下：一，在选择楼层构建时，可适应钢桁架来提高大垮楼层的稳定性及承载能力，降低结构自身重量，对各层间质量比进行有效控制。二，在选择竖向构建时，可选用SPC柱，即型钢混凝土柱，以合理平衡此部位部件的延伸性、刚度及承载力三者之间的关系[1]。
3.基于多塔连体复杂体型高层建筑超限结构性能设计标准
在本案例中，该工程的超限检测结果如下：一，楼板缺乏连续性，部分宽度低于50%；二，多塔，尺寸变化性较强；三，构件属于连体类，且处于间断状态；四，隶属于不规则建筑类型。因此，此建筑是复杂多塔连体高层建筑，该工程是不规则高层建筑工程，也是超高限高层建筑工程。经过对建筑的震后损失、结构特性、修复难易、建造费用、场地条件、设防烈度及抗震级别等众多因素的考量，就此，确定了如下几点建筑性能目标：一，对于较低等级的地震，建筑不能出现损坏现象；二，当遇到中级地震时，建筑损坏之后，可进行修复；三，建筑在遭遇等级较高的地震时，可保持不倒的状态。为有效实现以上建筑结构性能设计目标，应做好以下几个方面的内容：一，基于小型地震条件下，科学计算分塔结构、不带连体结构、各种构件及带连体结构相关数据，并验算、分析、补充弹性时程，并适当调整有关部位配筋与构件内力。二，对于大跨度部位、大开间柱、斜柱、穿层柱、水平位置长悬臂等重要构件，全部使用型钢混凝土柱，以加强重要构件的延伸性与承载能力[2]。与此同时，还应不断完善包络设计，实现建筑大震不倒、中小震具有一定弹性的效果。三，借助静力弹塑性来审查基于罕见地震条件下建筑变形预算数据是否正确。为有效提高基于多塔连体复杂体型的高层建筑超限结构性能，可在屋面支座部位，添设一定数量的球形支座与橡胶支座，并对大地震情况下建筑结构所要达到的标准进行分析，对设计方案进行相应的调整，以保障建筑可达到理想的设计标准。
4.针对超限问题设计有效方法
4.1 科学处理连体结构
在处理连体结构时，不仅需将整体模型带入、参与到结构分析与计算中，还应利用各种现代化软件对连体结构的应力与内力进行补充分析，并在此过程中应考虑到竖向地震对连体结构的影响，结合分析结果，不断优化连体结构处理方案，以提高超限高层建筑的安全性及抗震能力。其中，有关软件对局部工程连体结构的位移分析情况，详见下图一。在此之后，还在下部结构与连体结构位置，合理设置球节点支座与橡胶支座，以提高建筑连体结构的抗震性能。在添设球节点支座与橡胶支座时，应科学分析连体结构在不同等级地震条件下所产生的变形情况，结合建筑连接结构设计标准，确定球节点支座与橡胶支座个数，以保障连体结构可有效满足相关设计要求，从而确保建筑的安全性。
图一：局部工程连体结构位移示意图
4.2 合理处理穿层柱
在本工程案例中，建筑局部中出现较多的大开间柱及穿层柱，其中，建筑的抗侧力构件与竖向负载构件主要以框架柱为支撑，这就要求框架柱具备一定的承载能力。在该工程中，框架柱主要为SRC柱，其具备较好的延伸性及承载能力，这可有效保障超限高层建筑的稳定性与可靠性[3]。同时，在设计过程中，还应对位于底部的框架柱负载能力进行控制，以确保其可满足设计标准。穿层柱处理的合理性与否直接影响着高层建筑的使用性能，因此，在设计穿层柱时，应根据建筑的使用功能及所需达到的承载能力，结合相关技术标准及有关参数，确定穿层柱的数量、位置及结构体系。之后，应全面分析影响超限高层建筑的众多因素，对设计方案进行不断地改进与优化，以有效确保超限高层建筑的实用性能。
4.3 多塔处理方法
复杂多塔连体超限高层建筑不同于其他建筑，其建设技术要求较高，且设计较为复杂，若是设计不合理，那么不仅会影响到建筑性能，还给人们生命安全带来一定的威胁。对此，在处理多塔时，应根据不同超限要求，合理调整多塔结构，以保障建筑设计的可操作性。在分析与计算多塔结构时，可通过分塔模型与整体模型来对各塔及整塔结构扭转周期和平动周期比值进行验算，使其多塔整体结构与分结构可满足超限高层建筑相关标准[4]。在设计多塔结构时，可按照两者包络结果，根据最坏的结果来设计多塔结构，以确保多塔结构的稳定性、可靠性及安全性。
4.4 加强楼板
本案例中，该建筑楼层出现过层通高与大开洞现象，造成楼板处于不连续状态，局部楼板实际宽度低于平均宽度50%，这严重影响着建筑使用功能。对此，在设计过程中，应加强楼板与裙房结构，尽量使用经混凝土浇筑的楼板，并且楼板的厚度应大于150mm，采用双向双层配筋，楼板每层配筋率不得低于0.25%。另外，还应补充分析楼板的限元应力，有效处理该楼板预应力问题，并给出局部位置楼层楼板的应力分析计算结果，以此为整体楼板设计提供参考依据。
4.5 处理好关键部位的节点
本案例中，根据各关键部位的构造及节点内力要求，对各个节点进行了有效的处理。基于SRC柱与楼面桁架连接点位置，应在钢骨柱相对应的桁架上弦杆与下弦杆位置增添一定数量的加劲板，在桁架上弦杆上翼缘位置添加栓钉，对于钢型混凝土柱与梁的钢骨节点，应在工厂内进行连接，焊接的等级应超过二级，并且需在钢型混凝土梁钢骨上翼缘及下翼缘部位添设加强板与栓钉，就钢型混凝土柱与钢型混凝土量连接点的位置，应在梁端部位添设钢抗剪键，其具体形状为U形。关键部位节点的设计详见下图二。
图二：关键部位的节点设计
5.结语
综上所述，基于多塔连复杂体型高层建筑结构设计，具有较强的系统性、复杂性特点，并牵涉到许多力学、建筑学、美学等众多学科知识，在对建筑结构设计时，需考虑到建筑施工现场条件、建筑性能及要求。在设计过程中，需关注各方面因素，并合理调整相关参数。在对建筑进行布局及结构体系设计时，应合理选择楼层构建，科学计算相关参数，以保障建筑使用的安全性。此外，还应确保建筑设计可达到结构性能标准，并做好连体结构、多塔、穿层柱处理，不断加强楼板结构，并科学处理关键点部位节点，以确保建筑结构的稳定性、可靠性及合理性。
参考文献：
[1]柯玉萍，冯建龙. 上海安国酒店超限高层建筑结构设计[J]. 建筑施工，2017，39（11）：1673-1675.
[2]林建雄，徐重人，常磊. 广州某连体转换超限高层住宅结构设计[J]. 广东土木与建筑，2018，v.25；No.303（5）：5-10.
[3]王建峰，鄢兴祥，虞终军. 四川大学多学科交叉融合平台及艺术教育中心超限高层建筑结构设计[J]. 结构工程师，2018，v.34（2）：5-12.
[4]宋晓华，郑云亮. 烟台创业大厦超限结构设计应对措施分析[J]. 山西建筑，2017，43（10）：54-55.
论文作者:钱龙
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/9
标签：结构论文; 建筑论文; 楼板论文; 高层建筑论文; 支座论文; 结构设计论文; 体型论文; 《防护工程》2019年9期论文;