超限高层结构的分析及方案的优化
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超限高层结构的分析及方案的优化
作者：于雅杰
来源：《科学与财富》2011年第12期
[摘 要] 通过对某超限高层的结构分析设计，给出超限高层的一般结构分析设计过程，是平面不规则超限还是竖向不规则超限以及相应的结构构造措施。
[关键词] 超限高层建筑 概念设计 结构分析 结构优化
一、工程介绍：
本工程位于哈尔滨市南岗区南直路上，占地4万平方米，总建筑面积40万平方米。本工程商业部分为带转换层的大底盘多塔结构，总高119.35m，共35层，大底盘为三层地下室及地上五层裙房，上部多塔为三幢30层剪力墙结构主塔，占地面积分别为36590.2平方米。地下室埋深为18.00米，总建筑面积为269944.2平方米。地下室使用功能为商业，停车库和机电设备房。地下二层及三层局部设有人防区域。
超限情况的认定：
本结构上部塔楼偏南布置，上部塔楼与下部大底盘裙房的偏心较大，不满足高规10.6.1条；本结构位移比大于1.2为扭转不规则结构；本结构在裙房屋面设置转换层，通过转换梁把上部塔楼剪力墙转换为框架柱支撑，为竖向抗侧立构件不连续。
二、分析结论：
本工程属平面不规则竖向不规则的多塔转换超限高层建筑。
1.针对本工程多塔的结构性质，首先应保证多塔上部结构质心与裙房质心偏心小于20%，应避免多塔设计中塔楼与裙房质心偏离过多，而带来的平面刚度不均，扭转偏大，裙房局部应力复杂的情况。本工程因建筑布局原因，造成上部多塔偏南布置，造成多塔质心与裙房质心偏心过大，偏心率为23.8%，则本楼为塔楼结构与底盘结构质心偏心距超限，不满足高规10.6.1条。
2.本工程转换层置于五层裙房顶，转化位置虽然较高，但未超出规范对于转换层设置层数的限制，而本楼位于6度抗震区，地震效应较小，且裙房屋刚度相对单塔刚度较大，对于转换层上下层间的刚度变化具有有利影响，因此本转换层设置较为合理。 龙源期刊网
3.本工程裙房尺寸较大，X向为175米左右，Y向为108米左右，考虑到建筑使用建筑中庭开洞的情况及设缝后对于转换层的不利影响，后决定不在本工程中设缝。
通过以上几点解决本工程不规则性带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程要求。
分析表明，本工程为A级高度的大底盘多塔带转换的复杂高层建筑，满足规范的要求。
三、针对超限情况的抗震措施
本项目办公楼属高度超限的高层建筑，为此结构计算分析，结构抗震概念设计和构造几个方面，采取对策和措施确保该工程安全，可靠，经济。
（1）加强结构计算分析
1.按规范要求，办公塔楼采用两种计算模型（SATWE及PMSAP）进行结构计算比较，寻求最优的结构布置方案。
2.对单塔及多塔模型分别进行时程分析补充计算，了解结构在地震时程下的响应过程，并藉此寻找结构薄弱部位，以便进行针对性结构加强。时程分析的地震波采用两条提天然波和一条人工波，经计算满足规范要求。
3.本工程大底盘屋面受力复杂，在后期施工图设计中，应用有限元分析本层楼面内部应力，按楼板结构最大主拉应力进行配筋设计。
4.按现行规范考虑结构扭转效应，使办公塔楼扭转周期与平动周期的比值，角部位移与质心位移的比值均控制在规范要求的范围内。
5.对于本工程的较高位置转换的结构性质，首先将转换层置于裙房订，裙房屋刚度相对单塔刚度较大，对于转换层上下层间的刚度变化具有有利的影响；其次转换层采用简洁的梁式转换，并通过对单个转换构件的有限元分析其构件的应力分布，对后期设计以指导；最后加强裙房屋面及7层楼面结构厚板，提高板配筋率，增加楼板面外刚度，提高楼层整体性。
6.严格按规范要求抗控制相邻层得竖向刚度比。
7.严格按规范控制框支柱，加强区墙肢的轴压比。
8.增加中震分析设计，在SETWE中增加中震不屈服设计，经计算表明，本工程结构构件及体系满足中震不屈服的要求。
（2）注重结构抗震概念设计与构造 龙源期刊网
针对以上特点，采取以下措施
1.结构整体抗震性能改善措施：
因本工程上部三塔位置均偏南侧，造成裙房范围内刚心与质心的偏移量较大，因此设计中，在北侧楼梯间等部位，设置剪力墙体。经过上述调整，本楼裙房范围内刚质心偏移量减小，能满足规范要求，并相应减少裙房范围内扭转效应。
多塔结构采用弱剪力墙结构，通过加强边梁梁高增强结构抗扭性能，经过计算多塔结构在标准层内位移比控制在1.2以内，为平面较规则结构。
2.抗震重要部位构件加强措施：
本楼转换层设置于五层裙房顶，裙房屋刚度相对单塔刚度较大，相对于上部多塔有较好的固端效应，是设置转换层的较好位置。裙房屋面板厚增加至200mm，配筋采用双层双向，根据温度应力分析配筋，并加大均布钢筋配筋率不小于0.4%；7层楼板厚度也相应加强至150mm，配筋采用双层双向，加大均布钢筋配筋率不小于0.4%；加强5层屋面层洞口边梁尺寸。以增加其刚度，减弱因楼板削弱带来的结构扭转偏大的情况。
对于结构重要的转换梁构件除进行单独分析，按分析计算进行设计。
3.结构布置上尽可能加强地下室的整体刚度。在地下室周围采用级配砂石回填土并分层夯实，在楼板标高处加混凝土传力带，保证水平力的有效传递。
针对超长结构的措施
1.裙房五层屋面为转换层，本工程裙房为超长结构，温度应力影响较大，分布复杂。针对本工程情况，采用PMSAP对5层屋面楼板进行正常使用阶段温度应力分析，进行计算分析。根据《采暖通风与空气调节规范》表3.1-1，确定哈尔滨30年一遇最低日均气温为-37.7摄氏度，最高日均气温为39.2摄氏度。冬季采暖为18摄氏度，夏季空调温度为26摄氏度。则结构正常使用阶段的温差为：
夏季升温温差为：39.2-26=13.2摄氏度
冬季降温温差为：-37.7-18=-55.7摄氏度
2.东西两主楼之间由地下室连成一体，长度较长，考虑通过计算分析和构造措施保证结构变形影响满足的情况下将不设永久性结构缝。由于上部多塔和大底盘裙房在重量和刚度上相差悬殊，为减少施工中温度和收缩应力以及沉降差对结构的不利影响，拟在施工阶段在结构适当部位设置若干后浇带。 龙源期刊网
3.在裙房及地下室区域内采用具有抗裂性能的混凝土材料，优化混凝土配合比，采用水泥添加剂，减少水泥用量，降低水化热。并添加抗裂纤维材料，加强混凝土抗裂性能。、
四、结论
通过对某超限高层的结构分析设计，给出超限高层的一般结构分析设计过程，是平面不规则超限还是竖向不规则超限以及相应的结构构造措施。超限高层一般需要进行弹性时程分析以揭示结构是否有薄弱层。其分析设计过程可供其他超限高层的结构设计作参考。
