摘要:超限高層建筑由于其高度因素，結構受力非常復雜，本文筆者結合多年建筑結構設計經驗，對超限高層建筑結構設計特點、計算方法、超限情況以及超限的應對措施等進行了一些探討，以供業內相關技術人員參考。
　　關鍵詞:超限高層建筑；結構設計；剪力墻結構
　　0前言
　　超限高層建筑工程是指超出國家現行規范、規程所規定的適用高度和適用結構類型的高層建筑工程，體型特別不規則的高層建筑工程以及有關政府管理機構文件中規定應進行抗震專項審查的高層建筑工程。在超限高層建筑結構設計過程中，除了要嚴格遵守所規定的技術標準的要求外，還根據一些特殊要求進行結構抗震計算分析。本文以上海市楊浦區某超限高層建筑為例，探究此類結構的設計方法與結構抗震措施，以供同行參考。
　　1工程概況
　　本工程建筑物最高的高度為72.800m，屬于高層住宅建筑。建筑平面由溫度縫分成左、右兩半區。左半區地上二十五層為剪力墻結構，建筑總高為72.8m；右半區地上二十一層為剪力墻結構，建筑總高為61.200m。地下室均為一層，作為車庫及設備用房。地下室層高為3.9m，頂層層高為3.2m，其余各層層高均為2.9m。建筑剖面、建筑二層平面分別見圖1、圖2。
　　
　　圖1：建筑剖面圖    圖2：建筑二層平面圖
　　2工程地質及基礎設計
　　2.1場地土層分布:
　　擬建場地地貌形態為濱海平原地貌,地勢較平坦,地面標高在3.02～2.52m。場地土特性如下:
　　表1

　　本工程地震基本烈度為7度,設計基本地震加速度為0.10g,場地類別為上海地區IV類,場地特征周期Tg=0.9s,設計地震分組為第一組。由于在20m深度范圍內無成層連續分布的粉性土存在,故當7度地震時,不存在地基土的液化問題。
　　2.2基礎設計概況
　　本工程地基基礎設計等級為乙級。根據地質勘察報告,將第7-2層草黃～灰色砂質粉土層作為本住宅樓的樁端持力層,采用￠700鉆孔灌注樁,樁長42m,樁端全端面進入持力層深度不小于二倍樁直徑,樁身混凝土強度等級C30,單樁豎向抗壓承載力設計值2850kN;布樁方式主要以剪力墻下軸線布樁為主,部分荷載較大處采用墻下雙排樁。選擇第5-3層和第7-2層作為樁基持力層,樁基施工不會有困難。
　　3結構設計
　　3.1抗震設防標準
　　本工程為住宅,7度設防,剪力墻抗震等級為三級。屬于丙類建筑,設計使用年限為50年,建筑結構的安全等級為二級。
　　3.2設計荷載
　　地震作用:本工程地震相關參數按抗震設防要求取值,計算地震作用時,建筑物的重力荷載代表值應取恒荷載標準值和活荷載組合值之和�？拐鹩嬎悴捎每紤]18個振型、扭轉耦聯的振型分解反應譜法,并且采用彈性動力時程分析法進行補充驗算。
　　3.3地下室結構設計
　　本工程一層地下室,用作機電設備用房及車庫�；�礎形式采用厚筏板加樁基礎,地下室結構抗震等級三級。住宅樓底板厚度1300mm,地下車庫底板厚度1000mm,混凝土強度等級C30,抗滲等級S6。主要技術措施:在適當的部位設置施工后澆帶。采用摻入適量微膨脹劑以補償混凝土收縮。適當提高地下室底板、外墻和頂板的長向鋼筋配筋率,以增加地下室結構的抗收縮能力。
　　3.4上部結構
　　本工程上部結構標準層層高為2.900m,采用鋼筋混凝土剪力墻結構體系。為使結構的側向剛度均勻變化,剪力墻厚度沿豎向逐漸收薄,材料強度也逐漸減小:剪力墻厚度三層以下350mm,混凝土采用C40;四層以上240mm,四至十層混凝土采用C35,十一層以上混凝土采用C30。上部各層樓板厚度一般為120。結構抗側力構件布置均勻、對稱,在兩個主軸方向具有合理的剛度和承載力分布,避免形成薄弱部位。剪力墻的門窗洞口上、下對齊,一通到底,形成明確的墻肢和連梁。由于本工程右半區局部超限,以下將以右半區為例進行重點結構分析。
　　4 超限情況判別
　　在X向地震作用下:本樓第2層樓層最大層間位移與該樓層層間位移平均值的比值為1.32(該樓層最大層間位移為1/1101),為扭轉不規則。樓在二層抬高二層大堂空間,樓板開洞面積大于該樓層面積35%,為樓板局部不連續。
　　本工程因立面大開洞、平面使用功能的變化等原因形成了洞口兩側結構的體型、平面、層數和剛度相差懸殊，同時帶有高位轉換構件，且立面收進水平尺寸大于相鄰下層25%的側向剛度不規則等，屬于超限高層，在設計階段應特別注意幾下幾點：
　　(1)提高結構抗震等級：框支梁、框支柱為特一級，底部加強部位的剪力墻、框架為一級，框支框架按中震彈性設計，并加強與框支柱相連的斜向框架抗震措施。
　　(2)剪力墻布置應盡量均勻，應保證偶然偏心下的扭轉位移比不大于1.4。
　　(3)應特別加強轉換層及以上一層樓層抗震設計與構造措施。
　　(4)轉換層以下框支柱應滿足《高規》的要求，即每根框支柱所受的剪力不小于基底剪力的3%。
　　(5)為解決10層處縱向高位體型內收所引起的剛度突變的不利影響，在構造上將Y7軸柱的底部加強區延伸至11層頂。并加強Y7軸柱和屋面連接節點處柱的構造。
　　5 選擇合理的結構方案
　　5.1結構的規則性
　　在新規范與舊規范對比下，新規范在這方面做了較大的變動,增添了相當多的限制條件,比如:平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,而且,新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案”。因此,結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意,以避免后期施工圖設計階段工作的被動。
　　5.2結構的超高問題
　　在抗震規范與高規中,對結構的總高度都有嚴格的限制,尤其是新規范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑,因此,必須對結構的該項控制因素嚴格注意,一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度,其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中,出現過由于結構類型的變更而忽略該問題,導致施工圖審查時未予通過,必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況,對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。
　　5.3嵌固端的設置問題
　　高層建筑物的地下室或人防一般都有二層以上,嵌固端的設置一般在地下室頂板,也有可能設置在人防頂板等位置,因此,在這個問題上,結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面,如:嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等問題,而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。
　　5.4短肢剪力墻的設置問題
　　根據新規范中對短肢剪力墻的做出了新定義，新規范中同時也對短肢剪力墻在高層建筑設計中增加了非常多的限制條件。所以，結構工程師們在高層建筑設計時，應當少用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設計工作帶來的麻煩。
　　6 結構抗震計算與分析
　　根據上海市工程抗震辦公室初步設計抗震審查意見,本樓為不規則的超限高層建筑,須進行超限高層建筑抗震設防專項審查。
　　在建筑結構分析與計算階段，我們要準確、高效地對工程項目進行內力分析并按照規范的要求進行設計與處理，做好工程設計中的每一步工作。由于新規范的推出，對建筑結構的整體分析和計算都存在著相當多的內容需要調整和改進，因此，結構工程師在這一階段的問題應該有一個清晰的認識。
　　6.1結構整體計算的軟件選擇
　　在結構整體計算軟件中，目前比較常用的有:TBSA、SATWE、ETABS、SAP或TAT等。由于每個軟件采用的計算模型不同，導致了每個軟件的計算結果也不同。所以，這就要求我們在進行工程整體結構計算和分析時，必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件,并從不同軟件相差較大的計算結果中,判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的,哪個又是意義不大的,這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。否則,如果選擇了不合適的計算軟件,不但會浪費大量的時間和精力,而且有可能使結構有不安全的隱患存在。
　　6.2振型參數的準確取值
　　在舊的規范設計中，沒有提出振型參與系數的概念，而在新規范中對振型參與系數的概念非常明確,并提出了該參數的限值。所以，在計算分析階段必須對計算結果中該參數的結果進行準確的判斷,并決定是否要調整振型數目的準確取值。
　　6.3多塔類型計算要點
　　曾經有一段時間，大底盤、多塔樓的高層建筑類型大量涌現,因而在計算分析該類型高層建筑時,是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算,還是將結構人為地分開進行計算,是結構工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大,就有可能出現即使振型參與系數滿足要求,但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大,從而便結構出現不安全的隱患。
　　6.4非結構構件的計算與設計
　　在高層建筑設計中，由于建筑美觀或功能要求方面存在一些非主體承重骨架體系以內的非結構構件。特別是在高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時,由于高層建筑的地震作用和風荷載都比較大，所以，必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的計算處理措施進行設計。
　　本工程采用梁式轉換，上部框架柱直接落在轉換梁上，由于上部框架的截面尺寸較小，柱子微小的垂直位移就可能產生較大的附加應力，因此必須嚴格控制轉換梁的撓度，同時應提高轉換框架的抗震承載力以及抗震等級，根據抗震專項審查專家意見，框支柱及轉換梁強度設計采用中震下仍保持彈性受力狀態，抗震等級采用特一級，其截面中均設置勁性鋼骨(如下圖3)。
　　
　　圖3：轉換梁上柱插鋼筋示意圖
　　由于轉換梁上荷載很大，中部轉換梁上柱底恒載作用下軸力達到了7215KN，轉換梁跨中和支座最大組合彎矩分別達到了48132KN/M和41001KN/M，梁柱節點的承載力必須加強，同時加強相鄰跨框架梁的剛度和強度從而提高平衡轉換梁支座彎矩的能力。
　　7 結構超限應對措施
　　在風作用和地震作用下,房屋的頂點位移、層間位移角、強度、整體穩定性等均能滿足規范要求。房屋的周期比較小,證明房屋自身的抗扭剛度較好,從位移比來看,亦能控制房屋在地震作用下的扭轉效應。
　　該建筑在二層平面上開洞大小超限,但樓層位移、層間位移、層剪力曲線沿豎向都比較光滑,計算結果表明豎向剛度無明顯突變,結構不存在明顯薄弱層。盡量將洞口周邊的剪力墻加厚,同時將建筑物外邊緣的梁加高,在凸窗處的連梁盡可能做高,加強地下室頂板及大屋面樓板。在各樓層的深開口處設拉梁,并適當加強這些部位樓板的厚度和配筋。以便傳遞水平地震荷載,有效減少地震作用下扭轉效應。且在計算時按彈性樓板假定驗算,配筋考慮板平面內的彎剪作用。
　　為提高結構平面整體性,提高結構薄弱部位構件的抗震措施,保證構件具有足夠的延性,避免脆性破壞(如錨固破壞、剪切破壞、砼局壓破壞等)嚴格控制豎向構件的軸壓比,內墻采用輕質混凝土空心砌塊或加氣混凝土砌塊,減輕結構自重,計算結果顯示,構件的軸壓比滿足規范要求,表明結構具有較好的抗變形能力。
　　8 結束語
　　由此可見，超限高層建筑結構設計是一項非常長期、復雜的工作，它對結構工程師既要有扎實的理論功底,又要有豐富的工程設計經驗,并且結合概念設計,這樣設計出來的建筑物才能達到既安全、可靠,又經濟、合理。所以，任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。
　　
　　參考文獻
　　[1]《混凝土結構設計規范》.GB50010-2008.
　　[2]《建筑抗震設計規范》.GB50011-2007.
　　[3]《高層建筑混凝土結構技術規程》.JGJ3-2006.