广东省建筑设计研究院 广东 广州 510010
【摘 要】本文以工程项目为例，着重阐述超高层建筑的基础选型、结构方案、理论分析包含弹性时程分析和弹塑性静力分析（Pushover）等问题。探讨了在孤石地区的基础形式的选取、核心筒收进造成的结构刚度突变采取的措施等。为这一类建筑的结构设计提供参考。
【关键词】孤石；基础；超高层；弹性时程分析；弹塑性静力分析
1.前言
随着建筑业的不断发展，超高层建筑在城市中越来越广泛。随着超高层建筑数量快速的膨胀，很多年轻的设计人员在超高层结构设计方面缺乏经验，就加入到超高层的设计中去，造成了建筑的粗犷型设计从而造成了不必要的浪费。
针对目前建筑行业的情况，结合相关实际工程情况，对某超高层建筑结构设计作较为全面的论述，并针对超高层建筑结构设计中出现的问题进行分析探讨。
2.工程概况
本工程为广东省广州市某综合体，用地面积约3万m2，总建筑面积约15万m2。本工程地下为两层大底盘地下室，地下二层为战时人防（人防等级为核六级），地下一层为停车库、设备用房及水池等；地上由2栋100米的办公楼，1栋142.5米的办公兼酒店超高层及若干栋小商业组成。基本风压：W0=0.6kN/m2，地面粗糙度为C类，丙类建筑，抗震烈度7度，设计地震分组为第一组，特征周期值0.35s，设计基本地震加速度0.1g。建筑场地类别II类。
本工程B栋建筑高度142.5米，为B级高度建筑，根据《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》及《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》，属超限高层建筑，超限基本情况如表一：
3.基础设计
拟建场地地形相对平坦，目前为一空地，灌木发育，地面高程21.00～25.00m，地貌形态上属于珠江三角洲冲-洪积平原，地表沉积物为冲积～洪积砂层及土层，下伏基岩为白垩系碎屑岩。
场地不良地质现象主要为孤石，孤石主要出现在B栋超高层区域，而且孤石极其复杂。孤石最厚位置达到8米，中间出现若干夹层，典型柱状图如下：
图一 图二
基础设计时针对以下几种基础方案进行对比：
（1）人工挖孔桩方案，桩端持力层为微风化花岗岩，考虑到要穿过孤石难度非常大而且萝岗地区人工挖孔桩的审批通过率非常低，因此否决了此方案。
（2）旋挖钻孔灌注桩方案，桩端持力层为微风化花岗岩，考虑到旋挖桩穿过孤石有一定的难度而且造价非常高，因此旋挖桩方案也不是最佳方案。
（3）钻（冲）孔灌注桩方案，由于本场地孤石很复杂，因此我们咨询了很多施工单位。得出采用以下措施冲孔速度会提高4倍左右：a.每桩设置4~6个超前钻，探明孤石的具体情况；b利用钻孔点作为爆破孔，爆破后在进行冲桩。而且造价相对较经济，因此最终采用了冲孔桩方案。
本工程冲孔桩的桩径为1600mm、2000mm、2200mm，混凝土等级为C35，单桩承载力特征值分别为22000kN、34000kN、41000kN。
4.结构体系的选择
本项目建筑高度为142.5米，根据国内大量超高层的经验，并且通过大量的经济对比，本工程采用框架-核心筒结构体系。柱采用矩形混凝土柱，楼盖采用钢筋混凝土楼盖。
5.结构计算及分析
（1）计算模型和分析程序
由于本工程为超限高层结构，按照规范应采用两个符合结构实际受力情况的不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力分析计算，以保证力学分析的可靠性，同时采用弹性时程分析法进行多遇地震补充计算。本工程选用PKPM系列的SATWE和GSSAP程序进行整体内力计算，多遇地震作用下结构弹性时程分析采用YJK程序。
（2）弹性静力整体计算结果
根据上表结果表明，两种程序分析得出的结构反应特征、变化规律基本吻合，说明两软件能正确反应结构内力和变形情况，各项指标满足规范要求。
（3）弹性时程分析结果
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第4.3.5条：弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结果底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。本工程选取2条人工波和5条天然波进行时程分析，分析曲线详图三、四。
由图三、图四曲线图可看出：
a.弹性时程分析采用了五组实际记录的地震波及两组人工地震波，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ32010）第4.3.5条规定。
b.楼层位移曲线以弯剪型为主，位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。
c.弹性时程分析的七组加速度时程平均值的各楼结果与规范反应谱的结果，其中，对于最大层间位角，其值满足规范1/650的要求；对于层剪力，除出屋面结构楼层有略大于反应谱的情况，其余均小于反应谱的层剪力值。故本工程在施工图设计时，出屋面结构楼层将振型分解法的地震作用进行比例放大，使其能包络时程分析的结果。
（4）弹塑性静力分析（Pushover）结果
按规范要求的“大震不倒”的抗震设防目标，采用PUSH&EPDA程序对建筑物在罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析。静力弹塑性推覆结果详见图五、图六。
大震下静力弹塑性分析所得0度和90度的层间位移角分别为1/170和1/196，结构的抗震性能能满足防倒塌的抗震设计目标，结构的弹塑性层间位移角均满足规范要求。说明结构并未倒塌，具有较好的抗侧力刚度。
6.设计与构造措施
（1）对于剪力墙筒体，通过调整结构筒体剪力和倾覆力矩比例，使底部加强区（负一层至四层满足“中震抗弯不屈服、抗剪弹性，大震抗弯抗剪不屈服”的要求，设计时按一级抗震等级要求，并参考设防烈度地震下计算结果配置剪力墙竖向钢筋，再根据罕遇地震下时程分析计算的剪力墙受拉弯损坏的情况，通过提高约束边缘构件的配筋率（大于1.2%）、竖向分布筋配筋率（大于0.4%）等措施提高第一道防线的承载能力。
（2）通过提高外框架柱的抗震性能水准，按“中震抗弯抗剪弹性”进行性能设计，提高第二道防线的承载能力。柱在轴压比超过限值的部位通过采用沿柱全高设置加密箍12@100的构造措施，以保证柱的塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力，再者，采用弹性楼板分析保证楼板传递水平力的可靠性，使其连接成为整体，协调筒体变形。
（3）在核心筒剪力墙12层和24层收进处，提高此过渡区及其上下两层的抗震性能目标，使其满足“大震下抗剪、抗弯不屈服”要求。在施工图设计阶段，对剪力墙收进的上下楼层进行楼板厚度和配筋以及剪力墙配筋率等构造上的加强措施。
7.结论
（1）超高层项目基础设计非常重要，应根据结构和地基的特点对基础进行细致合理的设计。（2）超高层项目的结构设计，我们应在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标，并采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析。除保证结构在小震下完全处于弹性工作外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。
参考文献：
[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造（附实例）.北京：中国建筑工业出版社，2012
[2] GB50011-2010，建筑抗震设计规范.
[3] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程.
论文作者:刘奎祥
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第9期
论文发表时间:2016/8/16
标签：结构论文; 塑性论文; 弹性论文; 静力论文; 高层建筑论文; 高层论文; 工程论文; 《低碳地产》2015年第9期论文;