超限高層商業樓的結構設計分析論文

　　隨著社會經濟的發展，商業建筑迎來了蓬勃發展的時期。在建筑功能不斷集成的過程中，出現了一系列的結構問題：體量大、體型復雜、大跨、開洞等，因此現代商業建筑對結構設計的要求越來越高。本文將結合工程實例，總結超限高層商業建筑的結構設計方法，為此類項目的設計提供參考。

　　1 工程概況

　　某工程由 1 棟 6 層商業樓，4 棟超高層住宅樓，1 棟 59 層超高層辦公樓組成。本文以 6 層商業樓為例，分析總結超限高層商業建筑的結構設計方法。結合 6 層商業樓的建筑功能和結構平面布置的特點，設兩道防震縫將其分為 A、B、C 三個區，分區后僅 A 區屬超限高層，故本文主要介紹商業樓 A 區，下文所提商業樓均指商業樓 A 區。

　　本工程所在地區基本設防烈度為 6 度，設計基本地震加速度為0. 05g,設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期，多遇地震為 0. 35s,罕遇地震為 0. 40s.商業 A 區結構單元抗震設防類別為重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施，故商業樓框架抗震等級應為 2 級。多遇地震計算時結構阻尼比取 0. 05,風振計算時結構阻尼比取 0. 02.

　　2 基礎設計

　　商業樓基礎設計等級為甲級，采用樁加防水板基礎。根據前期試樁檢測報告結論，采用Φ700 鉆孔灌注樁，抗壓兼抗拔樁。基礎埋深12. 1m,遠大于建筑結構高度的 1/18.經復核，風荷載及水平地震作用下基底均不出現零應力區，可滿足高層建筑結構抗傾覆穩定要求。

　　3 地下車庫設計

　　地下車庫采用框架剪力墻結構，局部增加的剪力墻，主要有兩個作用：一是為了使得地下 1 層與地上 1 層的剪切剛度比大于 2,滿足正負零作為地上單體嵌固端的要求，二是為了更好地保證室內外高差處水平力的傳遞。商業樓室內及室外相關范圍內，正負零零層采用梁板式結構，板厚 180 ~250,雙層雙向配筋，且配筋率不小于 0. 25%.

　　4 上部結構設計

　　（1）超限情況的判定

　　根據“住房和城鄉建設部關于印發《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的通知（建質〔2010〕109 號）”,對商業樓的超限情況判定如下：商業樓結構高度 29. 2m,采用現澆鋼筋混凝土框架結構，屬于 A 級高度高層建筑，高度不超限。商業樓3 層以上豎向構件縮進大于 25%,屬尺寸突變（立面收進）；商業樓地上樓層存在多處樓板有效寬度小于 50%,開洞面積大于30%的情況；④商業樓3 層和4層之間質心相差達 18m,大于相應邊長的 15%,同時，考慮偏心扭轉位移比大于 1. 2,小于 1. 4.

　　綜合以上分析，商業樓屬于超限高層建筑。

　　（2）上部結構計算分析

　　在小震作用下，全部結構處于彈性狀態，構件承載力和變形應該滿足規范的相關要求。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3 -2010 第 5. 1. 12 條的要求，本工程采用 SATWE 與 PMSAP 兩種不同分析軟件分別進行了整體內力及位移計算，兩種軟件的計算結果基本一致，結構體系滿足承載力、穩定性和正常使用的要求。樓層最大位層間移角小于 1/550,滿足 JGJ 3 - 2010 第 3. 7. 3 的要求；在剛性樓板假定下，慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值均小于 1. 4.

　　根據建筑抗震設計規范 GB50011 - 2010 第 5. 1. 2 條，對不規則建筑應采用時程分析進行多遇地震下的`補充計算。本工程所選的三條波為 TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035,每條時程曲線計算得到的結構底部剪力均大于 CQC 法的 65%,三組時程曲線計算得到的底部剪力平均值大于 CQC 法計算得到的底部剪力的 80%,故所選三條波滿足規范要求。時程分析的結果表明，結構體系無明顯薄弱層，時程分析法包絡值較 CQC 法計算結果小，故結構的小震彈性設計由 CQC 法計算結果控制。

　　根據高層建筑混凝土結構技術規程 JGJ 3 -2010 第 5. 1. 13 條的要求，對商業樓采用彈塑性靜力分析方法進行了補充計算。兩個方向罕遇地震下性能點最大層間位移角均小于 1/50,小于規范彈塑性位移角限值，因此宏觀上商業樓所用結構體系能保證大震不倒的設計要求。

　　在通過二階段設計實現三個水準的基本設防目標以外，針對本工程的具體情況，提出了以下抗震性能化目標：設防地震作用下，中庭連廊等薄弱處樓板內雙層雙向鋼筋不屈服；設防地震作用下，懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱斜截面抗剪按彈性設計，正截面抗彎按不屈服設計；PMSAP 樓板應力分析結果表明，中庭連廊根部、平面凹口陰角位置一般為應力集地區域，在多遇地震作用下，樓板主拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值，樓板不會開裂，在設防地震作用下，應力集中位置樓板主拉應力略大于混凝土抗拉強度標準值，但適當加大樓板配筋，即可滿足樓板內鋼筋不屈服。

　　在設防地震作用下，利用 SATWE 進行彈性設計和不屈服設計，分別校核懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱的箍筋和縱筋，并與多遇地震計算結果一起進行包絡設計。計算結果表明，配筋值均在合理范圍，配筋切實可行。通過以上性能化設計措施，在對結構的經濟性影響較小的情況下，提高了結構的抗震性能，增加了建筑的安全性。

　　（3）上部結構設計針對偏心布置和扭轉不規則，設計時，盡量使結構抗側力構件在平面布置中對稱均勻布置，避免剛度中心與質量中心之間存在過大的偏離；加強外圍構件的剛度，增強結構的抗扭性能。計算時，考慮偶然偏心的影響，設計時適當加強受扭轉影響較大部位構件的強度、延性及配筋構造。通過調整結構布置，將考慮偶然偏心下的最大位移比嚴格控制在 1. 4 以下，第一扭轉周期和第一平動周期比嚴格控制在 0. 9 以下。

　　針對立面收進帶來的扭轉不利影響而采取的抗震措施詳第（1）條。構造上，對收進樓層（4 層）加厚至 140mm 且雙層雙向加強配筋，配筋率不小于 0. 25%,但為減小大跨部分樓板自重，室內大跨度區域樓板厚 120mm,屋面大跨度區域樓板厚 130mm,收進部位上下層樓板（3 層和 5 層） 厚度不小于 120mm,并雙層雙向加強配筋。根據《高層建筑混凝土結構技術規程 JGJ3 -2010》的相關規定，體型收進部位上、下各兩層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級提高一級，框架柱在此范圍內箍筋全高加密，提高縱筋配筋率；收進部位以下兩層結構周邊豎向構件配筋加強。

　　針對因開洞形成樓板不連續情況，整體計算時按實際開洞情況建模，并將以上樓層定義為彈性膜，以考慮樓板不連續對結構的影響；同時，構造加厚連廊等薄弱區域樓板至 130mm 厚，并雙層雙向配筋，配筋率不小于 0. 25%.

　　5 結語

　　本文對某超限高層商業樓的結構設計進行了簡要介紹，主要的設計要點可總結如下：（1）結合建筑功能和結構布置合理設縫，規避平面布置的不規則；（2）優化布置結構抗側力構件，適當加強外圈構件的剛度，提高結構的抗扭性能；（3）采用兩種軟件進行多遇地震彈性分些，結構應滿足相應的強度和剛度要求；（4）對結構進行多遇地震下的彈性時程分析，驗證結構體系的合理性，并與振型分解反應譜法進行包絡設計；（5）補充罕遇下的靜力彈塑性分析，控制性能點層間位移角不大于規范要求；（6）根據工程的具體情況，提出合理的抗震性能化設計目標；（7）利用概念設計原理，結合規范要求，對薄弱部位進行構造加強。

　　參考文獻：

　　[1]呂西林。 超限高層建筑工程抗震設計指南[M]. 上海：同濟大學出版社，2005.

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