某超限高层住宅的建筑结构设计

某超限高层住宅的建筑结构设计
宋宝东梁灏侯小美
(中建国际（深圳）设计顾问有限公司，深圳518033)
提要随着建筑用地的集约化，住宅项目的容积率不断提高，超高层住宅项目日益增多。

本文介绍了深圳某住宅小区4栋超高层住宅群的结构设计，针对本工程特点，介绍了超高层住宅的结构设计要点，其设计经验可供类似工程参考。

关键词超高层住宅，剪力墙结构，时程分析，中震不屈服，动力弹塑性分析
1工程概况
本工程位于深圳市福田中心区，由4栋45层的超高层住宅塔楼组成，地上1层为商业裙楼，地下3层为地下室，屋顶结构高度均为139.54米。

A塔楼平面尺寸为33.85x21.65米； B塔楼平面尺寸为31.85x20.75米； CD塔楼平面尺寸为53.45x21.7米； E塔楼平面尺寸为43.75x21.9米。

各层层高分别为：地下-3层、-2层、-1层分别为5.2米、4.0米和4.5米，1层5.0米，2层6米，标准层3米。

高层塔楼与裙房的地下室连为一个整体，从地面开始通过设抗震缝把整个建筑分为五个结构单元，其中A、B、E栋高层塔楼各为一个单元，CD栋合为一个单元，裙房分为一个单元。

塔楼与裙房间的抗震缝缝宽100mm，A、B座塔楼之间的抗震缝缝宽350mm。

建筑效果图建筑剖面图
宋宝东，男，1072.3出生，学士，高工
2结构设计思路及超限情况判别
本工程地处深圳市，该地区的特点是风荷载大、地震作用相对较小，因此提高结构的抗侧刚度是结构设计的关键。

根据以上特点和住宅建筑的功能要求，钢筋混凝土剪力墙结构体系是一种经济可行的结构体系。

本文以E栋为例进行详细介绍。

E单元标准层结构布置平面图
依据《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规范》，对建筑进行高度、平面规则性、竖向规则性检查，结果如下表。

建筑工程的抗震设防目标主要通过“两阶段三水准”的设计方法和采取相关措施实现，本工程为超高层建筑，除了按照上述原则进行设计外，还增加了性能化设计。

抗震设防性能目标见下表：
3结构整体计算和分析
3.1弹性计算结果
设计使用美国 CSI公司开发的ETABS、中国建筑科学研究院编制的SATWE、PMSAP软件对整体结构的自振特性进行了分析计算。

经过精确计算，结构各项指标均满足规范要求，整体结构周期、刚度较为适宜，位移、扭转性能、层刚度比、墙柱轴压比、梁剪压比等各项力学指标均满足规范的抗震要求，结构构件处于较为合理的工作状态。

3.2弹性时程分析
采用安评报告所提供的1条场地人工波，另加两条天然波，进行弹性时程计算，结果显示：(1) 每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于振型分解反应谱法的80%，地震波的选择满足规范要求；(2) CQC法的层间剪力曲线基本能包络所选的三条地震波对应的平均层间剪力曲线，但在结构顶部少数楼层，CQC法的地震剪力偏小，说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，施工图设计将对顶部楼层的地震剪力进行调整，满足对时程分析法的内力包络。

表3-2 基底剪力计算结果(KN)
3.3中震不屈服分析
由于本塔楼为超限结构，为确保结构的安全可靠，进行了在中震（设防烈度）下的抗震计算，使这些重要的抗震构件（剪力墙、柱、连梁和框架梁），在中震作用下不屈服。

采用空间三维有限元模型固接于地下室顶板，调整地震作用参数进行计算。

中震不屈服验算是根据极限状态和小震设计下得到的配筋，计算各主要构件的屈服承载力（按材料的标准值计算），并与中震下的效应组合进行比较，确定构件的状态。

若组合效应小于屈服承载力，表示构件未屈服，否则表示此构件屈服。

计算结果表明，有一部分框架梁在中震时屈服，因此需对该部分构件配筋进行调整，典型框架梁调整后的配筋结果分别如下：
表3-3 典型框架梁配筋结果
有部分连梁在中震时屈服，因此需对该部分构件配筋进行调整，典型连梁调整后的配筋结果分别如下：
表3-4典型框架梁配筋结果
钢筋混凝土剪力墙采用N-M包络线与内力组合效应的比较确定构件的屈服状态。

第1层第7层
以上结果表明剪力墙的受弯和受剪承载力满足中震不屈服求。

剪力墙的受弯富余系数随楼层数上升逐渐增大。

受剪安全系数随楼层数上升逐渐减小。

通过中震不屈服分析和判断可以清楚的看到，结构体系中竖向构件在中震作用下没有发生屈服。

连梁有部分进入弯曲屈服状态，但没有发生剪切破坏。

框架梁有少数进入弯曲屈服状态，但没有发生剪切破坏。

通过调整连梁和框架梁的配筋和对部分连梁截面调整，使主要水平构件不进入屈服。

这从设计上保证了中震不屈服概念的具体落实，也体现了地震中各构件的屈服顺序基本上是首先是连梁屈服，其次有部分框架梁屈服，而竖向构件则没有出现屈服的情况。

3.4动力弹塑性分析
《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条规定：B级高度和复杂的高层建筑结构宜进行罕遇地震
下的弹塑性静力或动力分析。

因此，我们针对本项目结构进行了弹塑性动力时程分析的专向研究。

30s时刻核心筒的受压损伤云图 30s时刻核心筒的受拉损伤云图
通过弹塑性动力分析，得出如下结论：（1）罕遇地震作用下，连梁在t=5.4s时开始进入弹塑性工作阶段，分析结束时刻连梁的塑性发展得比较充分，对结构的抗震有利。

剪力墙在t=6.6s时进入弹塑性工作阶段，晚于连梁。

（2）罕遇地震作用下，结构位于中下部的剪力墙出现了中等程度的损伤，但剪力墙中钢筋基本未出现屈服；（3）罕遇地震作用下，结构中的连梁在罕遇地震双向输入作用下出现损伤程度较为严重，起到了一定的耗能作用，部分连梁钢筋进入屈服阶段；（4）罕遇地震作用下，结构最大层间位移角小于规范限值；（5）顶部中下部楼层楼板在罕遇地震下损伤情况较为明显，可能需要适当加大楼板配筋；（6）该结构具有良好的抗震性能，能够抵御7度大震地震波（峰值加速度220gal），能够实现“大震不倒”的性能目标。

4结论
本文介绍了超高层住宅塔楼的结构设计内容，包括弹性小震场地谱、规范谱分析，时程分析，中震不屈服分析及动力弹塑性的计算分析，通过对计算结果的分析比较，证明了主体结构在承受水平荷载和竖向荷载的作用下，能够完全满足承载力的使用要求及正常使用极限状态下的变形要求，保证了各构件的正常使用和整个结构的安全、经济可靠。

本文有关设计的思路可为低地震烈度、高风荷载地区超高层住宅的结构设计提供参考。

参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3—2002.中华人民共和国行业标准，2002
[2] 建筑抗震设计规范 GB50011-2001（2008版）.中华人民共和国国家标准，2008
[3] 徐培福,傅学怡,王翠坤,肖从真.复杂高层建筑结构设计. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005。