浅谈复杂高层建筑结构设计

浅谈复杂高层建筑结构设计

摘要:以工程实例为例，对双塔复杂高层建筑，通过振型分解反应谱法、弹塑性静力、动力时程分析，对比分析了结构不同方向在不同地震动作用下的位移和内力响应，并提出了结构超限设计的处理措施，以提高结构的抗震性能。

关键词:复杂高层结构，，动力时程分析，超限设计

中图分类号：tu3文献标识码： a 文章编号：

1 工程概况

该工程地下2层，地上25层，总建筑面积约为28.6万m2。本工程±0.00以下由裙房连为整体，±0.00以上依据层数、高度、结构体系的不同共分为3个单体，a座，d座与商业裙房构成大底盘单塔结构，b座，c座与商业裙房构成大底盘双塔结构。本文论述仅针对b座，c座。建筑结构设计使用年限: 50年;建筑结构安全等级:二级，对应结构重要性系数为1．0;抗震设防类别: 根据规范gb 50223-2008，本工程商业部分属人流密集的大型多层商场，抗震设防类别为重点设防类(乙)类建筑，写字楼部分抗震设防类别为标准设防类(丙)类建筑;抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0．20g;建筑场地类别:ⅲ类;场地特征周期: 0．45。

2 结构计算分析

1) 多遇地震作用下计算分析。

本工程采用satwe 和pmsap 软件进行三维空间有限元计算。考

虑5%偶然偏心和双向地震作用两种情况分别进行验算;采用刚性楼板假定理论计算楼层位移和位移比; 结构内力计算及配筋时考虑楼板开洞及大空间等影响，采用局部弹性膜分析模型。

2) 多遇地震作用下弹性时程分析。

采用satwe 进行弹性时程分析，地震波选用程序内提供的两组实际地震记录和一组人工模拟的加速度曲线进行计算。时程分析法计算得到的结构最大相应结果与cqc 法计算的结果列于表1，从表1中可以看出，对应于3 条输入的地震时程曲线，时程法计算得到基底剪力最大层间位移角和位移比基本满足要求，每条时程曲线计算得到的结构底部剪力均不小于cqc 法求得的底部剪力的65%，3 条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不小于cqc 求得的底部剪力的80%，满足规范要求。

3) 罕遇地震作用下弹塑性时程分析。

为保证结构在大震作用下满足不倒塌的抗震性能目标，判断结构在大震下是否存在薄弱层并评价薄弱区的薄弱程度，了解塑性铰的形成规律，针对性地优化结构布置，对本工程进行了弹塑性时程分析。采用push-over 对结构进行弹塑性静力时程分析，采用epda 对结构进行弹塑性动力时程分析: 计算结果见表2～表4，结果表明能够满足规范要求。

表1弹性动力时程分析剪力统计表

表2弹塑性动力时程分析剪力统计表k n

表3 弹塑性最大层间位移角

表4弹塑性静力时程分析法计算主要数据

4) 中震作用下主要竖向构件验算。

根据结构静力和动力弹塑性分析法计算结果，由于设备层的存在，缓解了塔楼与裙房之间的刚度突变，结构的薄弱层部位反应在设备层以上的第2层左右，即结构的第8层，第9层位置为薄弱楼层，同时各单体在主塔楼15层～18层左右，由于抗侧力构件断面调整，结构有部分刚度突变的反应，设计中按薄弱层位置进行加强。本次设计对结构的薄弱部位的薄弱构件按中震不屈服进行抗震性

能化设计。计算结果表明，底部加强部位核心筒剪力墙在重力荷载和中震水平作用标准效应下均未出现拉应力，所有墙体均能满足中震不屈服的性能目标。

3 针对超限及复杂结构问题采取的措施

1) 主裙楼连为一体，形成大底盘单塔、双塔结构，塔楼结构与底盘结构质心的距离大于底盘相应边长的20%，竖向收进大于25%，为保证结构底盘与塔楼的整体作用，将裙房屋面板加厚至150mm，并设置双层双向拉通钢筋，配筋率不小于0．25%，裙房屋面上下层结构的楼板加厚至120mm，并设置双层双向拉通钢筋，配筋率不小于0．25%;塔楼中与裙房连接体相连的外围柱、墙从固定端至裙房出屋面上一层的高度范围内，在构造措施上按抗震等级提高一级进行加强。

2) 楼板凹凸和楼板局部不连续: 为加强步行街和中庭两侧结

构单元之间以及大洞口两侧结构单元之间的连接，设计中采用通过

增加连接部分楼板厚度及加强楼板和联系梁的配筋等措施改善平

面内洞口两侧的整体工作性能。对连接部位及大洞口两侧的楼板厚度加厚至150 mm，并设置双层双向拉通钢筋，配筋率不小于0．25%，连接部位的梁配筋按中震不屈服进行加强，保证大震下水平力的可靠传递。同时由于平面不规则引起的扭转效应较为显著，设计中控制边缘的竖向构件轴压比、剪压比及其配筋。

3) 局部竖向构件不连续: 为减小中庭部位的悬挑长度及改善

影厅局部受力性能，保证地下车库的正常使用及建筑的空间效果，增设部分不落地框架柱，形成部分局部转换结构，该部位影响范围虽小，但转换构件受力复杂，设计中采用将该部位转换构件抗震等级加强一级，并按框支转换层结构的构造要求对转换部位的楼板、框支梁、框支柱配筋加强。

4) 地基基础设计: 本工程主楼为地下2层、地上25层～26层(含设备夹层) 框架—核心筒结构，裙房为地下2层、地上4层框架—剪力墙结构。方案中按主体所在部位附带裙房分为三部分，每一部分主体与裙楼连为一个整体，荷载差异非常大: 主体部分塔楼下基底压力达到700kpa～800kpa左右，而裙房部分由于基础埋深大，地下水位较高，上部荷载小，不足以抵抗地下水水头压力引起的浮力，需进行抗浮设计，两者之间的差异沉降显而易见。考虑到主体所需单桩承载力大，且裙房存在抗浮问题，本次设计主楼筒体部分拟采用后压浆钻孔灌注桩———筏板基础，边框架柱对应部位采用后压浆钻孔灌注桩———承台+防水板的基础形式，减小主楼

沉降及主楼核心筒部位与周边框架柱部位的差异沉降，工程桩有效桩长暂定30m，桩径700mm，间距2．1m。裙房也采用桩基，同时承担抗压(水位较低时)及抗拔(现状水位时)作用，有效桩长暂定23m，桩径700 mm。主裙楼之间设置沉降后浇带，待主体沉降稳定后浇筑以减小沉降差。后浇带浇筑之后，由于降水停止，引起裙房部分发生上浮，按抗浮设计最不利部位变形计算，在主裙楼交接部位的3跨内配置抵抗不均匀沉降的钢筋。预估主楼单桩竖向承载力极限值为9000kn，裙房单桩竖向承载力极限值为7000kn，抗拔承载力极限值为3000kn。

5) 建筑物长、宽超限处理: 地面以上裙房结构单元长度在100 m 以上;地下部分连为一个整体，南北向长约300 m，东西宽约210 m，长度和宽度均超过规范要求较多。按初始温度t0 =10 ℃，夏季室温按t1 = 20 ℃，冬季室温t2 = 25 ℃，计算梁板内的温度应力，并从材料的使用和施工方案上采取综合措施，减少混凝土的干缩。设计中采用设置温度或沉降后浇带兼温度后浇带的措施进行处理，并要求施工中采用低水化热水泥，加强养护措施等施工手段。

4 结语

对多塔结构这样复杂的高层建筑，考虑有利于抗震概念设计和构造措施尤为重要。可以通过对建筑结构主要抗震性能指标的有效控制和采取必要的抗震构造加强措施，使结构获得良好的抗震性能。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。