唐杰
摘要：随着时代的发展，超高层建筑凭借其优势与特点备受人们关注。本文结合超高层建筑工程实践，对其结构设计进行探析。
关键词：超高层建筑；结构设计
1、工程概况
本工程由两栋超高层塔楼（公寓塔楼54 层和办公塔楼47 层）及大型商业裙楼组成。建筑效果图，见图 1。
图1 建筑效果图
结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期 Tg= 0.45s。基本风压w0= 0.40kN / m2，地面粗糙度类别为C类。
2、基础设计
塔楼采用平板桩筏基础。桩采用 1000钻孔灌注桩，桩身混凝土强度等级为 C45，采用桩端后注浆工艺，单桩承载力特征值约为10300kN。基础中心最大计算沉降量为90mm，工程桩桩身压缩量约为20mm。主楼核心筒下按梅花形布桩，外围框架柱采用柱下承台的布桩形式，办公塔楼和公寓塔楼基础板厚分别为 2950mm和3300mm。办公塔楼和公寓塔楼与裙房地下室部分连为一体，塔楼周边设置沉降后浇带。
裙楼以及纯地下室区域采用平板式筏板基础，地基承载力特征值 = 150kPa。抗浮采用机械连接预应力混凝土竹节桩，最大外径为 500mm，单桩抗拔承载力特征值为 500kN。
3、结构体系
塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，结构高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）中B级高度限值180m，为超B级高度的超限高层。框架柱底部采用钢管混凝土叠合柱。地下1层和地上部分抗震等级，框架为一级，核心筒为一级，地下2 层相应结构抗震等级均降低一级。
办公塔楼、公寓塔楼结构平面布置相似、总高度接近，仅层数不同，下面以层数较多的公寓塔楼为例进行介绍。公寓塔楼中、低区核心筒平面呈梯形，平面位置居中；高区核心筒在南侧收进。核心筒混凝土强度等级从下到上采用 C60、C50、C40，地上核心筒外围典型外墙厚度从下到上为 1000mm、900mm、750mm、600mm、500mm、400mm，典型内墙厚度为400mm、300mm。剪力墙变薄和框架柱截面变小的楼层尽量错开，同时竖向构件截面变化与混凝土强度等级变化尽量错开。外围框架柱在底部加强区采用钢管混凝土叠合柱，叠合柱钢管材质为Q390B，过渡层采用带芯柱的混凝土柱，其余楼层采用普通钢筋混凝土柱。钢管混凝土叠合柱中钢管的约束作用使钢管内混凝土的轴心抗压承载力大幅度提高，轴向刚度较大。在轴压力和往复水平力作用下，叠合柱内钢管混凝土能延长柱从屈服到破坏的过程，使叠合柱具有良好的延性和耗能能力。
楼盖采用钢筋混凝土梁板体系。楼板厚度定为：标准层核心筒外为110～ 120mm，核心筒内为130mm；核心筒收进和挑空大堂位置为 150mm。为保证地下室顶板的嵌固作用，顶板厚度取180mm，地下1层楼层剪切刚度大于地上1层的 2倍。在地下室底板和地下室室外顶板混凝土中掺入改性聚丙烯纤维，适当提高地下室顶板及各层楼板的配筋率，并加强养护。
地下室外墙设诱导缝，即通过在地下室外墙结构上每隔一定距离设置薄弱带，如果外墙发生较大收缩变形，则诱导外墙在此薄弱带开裂，薄弱带处设置加强止水带，从而达到释放温度应力和避免外墙渗漏的作用。
4、结构抗震性能化设计目标
该塔楼结构存在下列超限情况：结构高度超过高规B级高度限值、扭转不规则、2层大堂挑空引起楼板不连续、局部穿层柱、局部楼层转换等。结构抗震性能目标为C，具体描述见表1。补充45°方向小震作用下构件承载力校核，补充小震弹性动力时程分析。地上首层顶板挑空，部分框架柱穿层，柱高度11.3m，设计采取从严控制穿层柱轴压比并按中震弹性的性能目标进行设计，采用 PMSAP 对其进行屈曲分析，结果表明首层穿层柱屈曲稳定系数为23，不会发生屈曲失稳破坏。
结构抗震性能目标 表 1
5、大震弹塑性时程分析体现的结构薄弱部位和优化措施
在满足结构抗震性能目标的前提下，进行构件配筋设计，采用MIDAS Building 进行结构弹塑性时程分析，来评价结构的变形情况以及抗震性能。梁、柱及支撑等杆系构件采用塑性铰进行模拟，剪力墙构件采用纤维模型进行模拟，结构阻尼比取0.05。
在初步设计阶段的前期，为了找到公寓塔楼结构薄弱部位并予以优化，初步完成结构计算分析时即对其进行弹塑性时程分析。试算后发现，图 2（a）所示核心筒北侧连梁由于高度过高，导致图2（b）所示大面积剪力墙墙体因吸收过多地震能量而产生过大损伤。通过调低连梁高度和设置双连梁，有效地减少了地震作用，改善了连梁附近墙肢的破坏情况（图 2（c））。
图2 核心筒北侧连梁位置及调整前后附近剪力墙应变状态
核心筒南侧剪力墙在 44 层收进，核心筒外墙弱化成扁柱，观察此处刚度突变对结构的竖向刚度连续性产生的不利影响，发现剪力墙收进而转化成的框架柱损伤非常严重。针对这一情况，将收进处优化为从 42～44 层起在收进位置剪力墙墙体开设逐渐变大的结构洞，直至 44 层剪力墙弱化为扁柱。采取了优化措施后，大震作用下收进处墙体及扁柱基本处于弹性状态，损伤较小，避免了优化前刚度突变所引起的相应位置剪力墙损伤严重的现象，但 41 层剪力墙仍然存在一定的损伤。
进一步优化，41 层核心筒南侧剪力墙最终设计为开设 3 条 500mm 宽竖缝，分析结果表明 41 层剪力墙损伤明显降低。逐渐收进部位剪力墙在约束边缘构件设计时，沿倾斜方向设置斜暗柱，斜暗柱布置和配筋。
核心筒高区南侧剪力墙经过上述优化后，损伤程度明显降低，剪力墙竖向收进处渐变截面的优化措施有效。重新计算分析后，却发现核心筒内部一片长度较长的剪力墙在高区收进处相邻几层即 42～45 层范围内发生了较大程度的损伤。分析其原因为：图3中墙体在 41 层为核心筒内墙，不承担主要抗侧力作用；42 层开始处核心筒南侧墙体收进而转变为扁柱，此墙体变为起主要作用的抗侧力构件，其承担的地震剪力在 42～44 层反而明显大于标高更低的 41 层，且其长度为 9.5m，延性不足。
针对上述原因，采取以下措施：该墙体在 42～46 层墙体厚度从 300mm 提高为 350mm；墙体在高区开结构洞并设置多肢连梁，这样既能提供较强的刚度来满足层间位移角的要求，又可使强烈地震作用下混凝土裂缝和钢筋屈服集中于多肢连梁中，吸收地震能量，从而提高墙体的延性和耗能能力。
由初步的弹塑性时程分析找到上述结构薄弱部位，对结构薄弱部位进行优化，并再次调整结构模型后，对结构进行大震弹塑性时程分析。3组地震波作用下 X，Y向最大层间位移角均小于高规规定的限值 1/100；结构基底剪力最大值为小震规范反应谱下的 4.3倍（X向）、4.8倍（Y向）。整体结构在大震弹塑性时程分析下的发展历程可描述为：大震作用下结构连梁最先出现塑性铰，随着地震波加速度的增大，连梁塑性变形逐步累积耗能；而后结构部分框架梁进入塑性阶段并参与结构整体耗能，但框架梁整体塑性变形有限；高区极少量结构框架柱开裂但均未进入屈服状态。地震输入结束时绝大部分剪力墙未进入屈服状态，只有底部加强区和高区核心筒收进位置剪力墙应变略大，针对这些区域采取了增加配筋等加强措施。从总体来看，结构在大震作用下的弹塑性反应及破坏机制合理，符合结构抗震工程的概念设计要求。
6、结语
综上所述，在初步设计阶段的前期即对结构进行弹塑性时程分析，分析结果显现核心筒剪力墙高区收进、强连梁处为结构薄弱部位，对此位置进行了优化。优化以后的弹塑性时程分析结果表明结构抗震性能良好。
论文作者:唐杰
论文发表刊物:《基层建设》2016年2期
论文发表时间:2016/5/28
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