同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 200092
摘要：与常规意义上的高层建筑而言，超限高层建筑结构设计有着更为复杂与具体的需求，从高度上来看，超限高层建筑高度是普通高层无法触及的，因此在结构设计的过程中也面临着一定的难度与挑战，必须谨慎对待结构设计中的关键问题，以最大限度的确保超限高层结构功能的正常实现。本文即结合某办公楼建筑项目实例，针对超限高层结构设计中的关键问题进行分析与研究，在分析地基基础设计方案的基础之上，对整个超限高层结构布置方案进行合理优化，并探讨了在钢管混凝土叠合柱以及梁柱节点设计中的关键策略，望能够引起业内人员的关注与重视，以合理优化结构设计方案，保障超限高层建筑结构功能正常使用。
关键词：超限高层；结构；设计
超限复杂高层建筑由于在建筑高度以及建筑造型的特殊性，导致结构设计超限问题严重。为了确保建筑结构设计方案的合理性，就必须从其结构超限的角度着手，对结构设计方案进行合理优化，以保障建筑结构相关功能的正常实现。以下即结合某办公楼建筑项目实例，针对超限高层结构设计中的关键问题进行分析与研究，望能够引起工程人员的关注与重视。
1 工程概况
某办公楼建筑项目总建筑面积为69000.0m2，主楼建筑整体高度为148.75m，地下层数为3层，地下1层~地下2层层高为5.4m，作为商业功能使用，地下3层层高为3.9m，作为停车库功能使用，地上部分层数为34层，其中地上1层层为5.5m，地上2层~地上34层层高为4.2m，均作为办公功能使用。本工程项目安全等级达到二级标准，基础设计为甲级，桩基设计为甲级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度。同时，根据本工程项目施工现场前期地质勘查报告，该工程项目建筑场地类别为上海Ⅳ类，地面粗糙度种类属于c类，在假定重现期为100年的情况下，基本风压预设值为0.6kN/m2，风力荷载作用力体型系数为1.4。建筑抗震设防类别为丙类，框架为一级，核心筒为一级。
2 地基基础设计
结合对本工程项目所在地区地质条件的勘察与分析可见，本超限高层工程项目建设地区地形条件平缓，场地地基土对建筑材料无腐蚀性；地下水容易轻微腐蚀钢结构，但并不对超限高层结构中钢筋材料正常使用性能发挥产生影响。在抗震设防烈度7度条件下，场地地基土无砂土液化风险。前期对本工程项目土层分布以及主要力学指标的调查结果为：⑤灰绿色黏土，土层厚度为2.21m；⑦灰黄-灰色粉砂，土层厚度18.4m；⑨青灰色粉砂，土层厚度为24.45m；⑨灰色黏质粉砂，土层厚度为7.4m；⑨青灰色粉砂，土层厚度为5.8m；⑩青灰色粉质黏土，土层厚度12.3m。
在本工程项目地基基础设计过程中，选用注浆钻孔灌注桩形式作为桩筏基础，以此种方式在降低沉降量的同时促进桩承载力水平的提升。工程地基基础处理现场所选用注浆钻孔灌注桩桩径尺寸为800.0mm，桩端进入持力层⑨层土中，桩长为60.0m，单桩桩顶附加荷载作用力按照3600.0kN标准进行控制。采用以Mindlin应力公式为依据的单向压缩分层总和法计算桩基沉降，在剔除后注浆对桩基沉降量影响的前提下，经计算桩基中心最大沉降量为4.3m，考虑沉桩质量难以控制，孔底沉渣会增大沉降量，故采用桩端后注浆方法，有利于减少沉降量。根据主体竣工后的沉降观测报告，实测值均小于计算值，验证了基础设计方案的可靠性。
3 结构布置设计
对于本工程项目而言，结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒结构，构建双重抗侧力结构体系。本工程项目整体建筑高度为148.75m，低于180.0m，故纳入B级高度建筑范畴，根据现行《高层建筑混凝土结构技术规程》中的有关标准，高宽比值为3.9，低于标准中7.0的基本要求。同时，本工程结构中核心筒结构高宽比值为11.5，同样低于标准中12.0的基本要求。
对于本工程项目所采用的钢筋混凝土框架-核心筒结构以及双重抗侧力结构体系而言，在结构体系上呈现出了一定的特点，即核心筒结构以及周边稀疏分布框架柱结构可通过每层楼面梁体结构以刚性方式实现可靠连接，发挥对水平方向以及垂直方向荷载作用力的承载作用。以钢性方式连接楼面梁两端，不但不会导致周边稀疏分布框架柱结构产生剪切滞后的问题，还会在一定程度上提前剪切作用力，导致水平方向荷载作用力下与楼屋面梁直接相连的框架边柱轴力、剪力反而比角柱大，整个周边框架柱受力比较均匀合理。
核心筒结构中，外墙结构自底部800.0mm厚逐步下降至500.0mm厚，内墙厚度则在200.0mm~400.0mm范围内。为了能够最大限度的保障本工程项目建筑面积的有效性，在结构布置上对外围结构框架柱全部选用钢管混凝土形式叠合柱，对截面积进行合理控制（自下至上将截面积自1600.0mm调整至1000.0mm标准），同时对墙体以及柱体结构混凝土强度等级进行合理控制（自下至上将混凝土强度等级自C60等级调整为C40等级）。在此基础之上，为进一步巩固整个建筑项目结构体系抗扭刚度水平，将标准层外围框架梁高度按照900.0mm标准进行控制。标准层基本平面结构如下图（见图1）所示。
4 钢管混凝土叠合柱及梁柱节点设计
在本超限高层建筑项目结构设计的过程中，提出了一种全新的钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱节点连接方案，即在钢筋混凝土梁与钢管叠合柱连接区的钢管上预埋钢筋接驳器以便与部分钢筋混凝土梁纵筋连接，钢筋接驳器节点区域加厚钢管壁厚，钢筋接驳器同一水平面上钢管内部设置环形加劲肋板。钢管柱外伸一定长度的工字形型钢，用来传递其余部分钢筋混凝土梁纵筋的弯矩，此部分钢筋混凝土梁纵筋伸至钢管柱边截断。新型的节点方式在施工过程中较为便捷，同时结构简单、传力方式直接，钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱节点连接方案如下图（见图2）所示。同时，焊接在钢管壁上的水平环板和工字型钢用于抵抗剪力。结合本超限高层建筑项目的设计要求，上钢管与下钢管进行拼接的过程中需要离开楼面1300.0mm左右，以避免钢管拼接对梁柱节点区域产生影响。钢筋接驳器应确保与钢管可靠连接，应确保钢筋受拉屈服先于钢筋接驳器中钢筋拔出破坏，且钢筋接驳器钢筋拔出破坏先于接驳器与钢管竖向环板的焊缝破坏。梁纵筋与接驳器及接驳器与钢管竖向环板的连接均应保证当纵筋在拉力分别为200 kN及320 kN连接状态下不出现屈服表现。在此基础之上，针对该节点进行拉拔试验，拉拔实验结果显示：梁纵筋破坏在前，接驳器破坏在后，且钢管鼓曲后接驳器尚未发生破坏。由此可见，以此种方式所实现的的钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱节点连接方案下，节点变形能力良好，与超限高层建筑结构节点连接中“强柱、弱梁、节点更强”的抗震设计原则相契合，能够最大限度的确保建筑结构的可靠性与稳定性。
5 结构计算分析
基于SATWE软件进行计算，在扭转偶联振动影响振型分解反应谱法下进行研究。在小震作用下，选择分析偶然偏心以及双向地震同时发生时最不利工况，以评估该建筑物结构承载力情况。小震作用下，结构阻尼比为0.05，建筑结构连梁刚度折减系数为0.7，中梁刚度增加值为2.0。基于上述数据，计算X、Y轴向以及T扭转状态下的周期数，计算结果分别为2.833s、3.200s、以及2.628s，周期比为0.821，符合规范要求。结构计算结果如表1所示。
表1：弹性结构计算结果示意表
计算内容SATWE地震作用力规范限值
质量（t）122346.64
层间位移角（°）X1/1143（6层）1/1000
Y1/1056（21层）
位移比X1.26（10层）建议≤1.20，应≤1.40
Y1.30（2层）
底部剪切作用力（kN）X30523
Y29319
基底剪重比（％）X2.49≥1.60
Y2.40
为确保建筑结构稳定性，针对结构超限所采取措施如下：（1）本工程中，建筑主体高度为148.75m，根据规范标准，当建筑高度≥130.0m时即为超限高层建筑，故本工程属于高度超限建筑。同时，在考虑偶然偏心作用力的情况下，扭转位移比的中X方向为1.26，Y方向为1.30，高于规范标准中所建议≤1.2的标准，故属于扭转不规则超限结构。针对本工程中建筑结构高度超限以及扭转不规则问题，所采取处理方法为：核心筒剪力墙底部加强部位，每层设置一道配筋加强带，增强剪力墙的延性。底部加强区主要墙肢和框架柱的正承载力满足中震不屈服，斜截面承载力达到中震弹性且满足大震截面控制要求。尽量调整结构刚度使其刚度均匀，增加周边框架梁刚度，削弱内部核心筒刚度，增加结构抗扭刚度水平；（2）本工程中，2层平面楼板缺失，有效楼板结构仅为该楼板宽度42.0％，低于规范标准中≥50.0％的标准，在平面刚度上变化较为剧烈，属于平面不规则超限建筑结构。针对本工程中建筑结构平面不规则问题，所采取的处理方法为：二、三层整层楼板加厚到150 .0mm，板筋双层双向拉通设置，最小配筋率≥0.25％，并且二层楼板平面根据弹性楼板模型作出的分析结果进行构件配筋，以确保建筑结构整体稳定与可靠。
6 结束语
本文结合某办公楼建筑项目实例，针对超限高层结构设计中的关键问题进行分析与研究，在分析地基基础设计方案的基础之上，对整个超限高层结构布置方案进行合理优化，并探讨了在钢管混凝土叠合柱以及梁柱节点设计中的关键策略，在结构设计问题的研究中得出了两点结论：第一，在超限高层建筑结构地基基础设计过程中，经桩端后注浆处理能够有效加固桩端土体，对超限高层建筑后期沉降量有良好的控制效果；第二，在超限高层建筑结构设计过程中，通过钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱节点连接的方式，不但能够增加节点刚度水平，为结构施工提供便利，还能够使节点传递梁内弯矩作用力以及剪切作用力的传递效果得到改善。望上述研究能够引起业内人员的关注与重视，以合理优化结构设计方案，保障超限高层建筑结构功能正常使用。
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论文作者:刘恺
论文发表刊物:《中国住宅设施》2018年2月上第3期
论文发表时间:2018/10/18
标签：结构论文; 钢管论文; 结构设计论文; 高层论文; 节点论文; 建筑论文; 建筑结构论文; 《中国住宅设施》2018年2月上第3期论文;