基于某超高层建筑结构设计方案探讨

时间：2025-01-04

姚满心

摘要：文章通过结合工程实例，针对某超高层建筑结构设计中的相关要点进行了分析与研究，主要从结构选型与布置、结构计算和抗震设计等方面进行了论述，以供建筑结构人员参考借鉴。

关键词：超高层建筑；结构选型；结构计算；抗震设计

1 工程概况

某超高层酒店，一共45层，总建筑面积是68000㎡，主要分为主楼和裙楼两部分。地下3层，为车库和六级人防兼设备用房，建筑总高为140m。地下室底板面标高-14.000m，室外地面标高为-0.250m，建筑采用框架-核心筒结构，抗震设防烈度为VII度。

2 结构选型与布置

2.1 结构选型

本工程主体高140m，平面布置规则，接近正方形，经技术经济分析采用现浇钢筋混凝土筒中筒结构。内筒为剪力墙，外筒由密柱高裙梁组成。另结合建筑功能在外筒体四角处布置部分剪力墙，以增强结构抗扭刚度和外筒的整体抗弯能力。

2.2主要结构构件

外筒柱在底层为适应建筑入口的要求采用1100×1100 mm方柱，二层至顶层则由1400×800mm变至1400×600扁柱。内筒外墙在底部500mm厚，頂部变为400mm。内隔墙上下均300mm。为提高墙体的极限承载力和延性，对不小于400mm厚的剪力墙在每层楼面处均设置高为700mm 暗梁。

外框筒梁在底部层高4.8m楼层截面大多为 500×1600mm，层高3.1m 标准层截面大多为 500×1300mm。内筒连梁在底部截面大多为墙厚×1600mm，标准层截面大多为墙厚×1000mm。混凝土强度等级从底部的C60逐渐过度到38层的C35，38层以为C40。

2.3 楼盖选型

该工程内外筒轴跨度12m，楼盖的选型对使用功能、结构合理性、经济性影响较大，为此做了多种方案的比较。

（1）内外筒间加柱，减小楼盖跨度，采用普通钢筋混凝土梁板体系。该方案工艺简单，自重轻，经济指标好，设计、施工方便，但建筑使用功能较差，目前国内的筒中筒和框筒结构中较少采用。

（2）内外筒间在柱轴线上采用间距4.2m的预应力梁，梁间楼板由于跨度小，可用普通钢筋混凝土板。该方案楼盖自重轻，经济指标较好，但梁高对楼层净空有影响，要求较大层高。

（3）内外筒间不设梁，采用“环形”预应力混凝土平板。该方案结构高度最小，净空大，在建筑总高不变的情况下，楼层数和建筑面积最多，板底平整美观，利于管道通行，模板体系也简单，但楼盖自重大，内力复杂，楼盖经济指标不理想。

由于业主要求在建筑总高限定的情况下有尽可能多的层数，经过方案比较，在1层、1 0 ～39层办公和客房部分的楼盖采用预应力混凝土平板结构，板厚270mm：在2—9层公共用房部分因为要和一期工程连通，层高较大，采用预应力梁、普通钢筋混凝土板结构，梁截面为400×650mm。

3 结构计算分析

3.1结构计算

（1）采用 PKPM系列软件中的SE和TAT进行了对比分析计算，由于结构较规则，两者的总体计算结果接近。但SATVVE和TAT的剪力墙计算模型不同，墙体的局部内力和配筋有些差异，施工图设计中，采用了更符合实际情况的SE墙元模型的计算结果。以下是考虑平扭藕连作用的主要分析结果。

①空间振型的周期；T1=2.41（Y方向平动系数1.0）；T2 = 2.1O（X，向平动系数1.0）；T3=1.04（扭转系数1.O）。

②X方向地震作用时：最大层间位移角1/2328；底层剪重比2.85%。

③Y方向地震作用时：最大层间位移角 1/1760；底层剪重比2.74%。

④楼层最大层间位移与楼层平均层间位移的比值均在1.O5之内。

（2）进行了多遇地震作用下的弹性时程分析补充计算，选用甘肃省地震局提供的二组实测波和一组场地模拟波，地震加速度时程曲线的最大值为70cm/s。计算结果显示时程分析所得的各项结果的平均值，均小于考虑藕连影响的CQC法的计算结果。

3.2计算结果分析

（1）由以上计算结果可看出，结构的周期和位移均在合理范围内，但结构底层剪重比较小，这主要是结构本身的长周期动力特性和振型分解反应谱法的特点所决定，对地震作用的仙计可能偏低。如果仍通过加大构件尺寸来增大刚度，提高地震作用，从经济性的角度来看是不太合理的。所以本工程对地震作用乘以放大系数1.25，使结构底层剪重比不小于3 .2 %。放大地震作用后的结构位移等参数均能满足规范要求，并且放大后的结构地震作用效应基本不小于弹性时程分析的结果，说明按振型分解反应谱法的结进行结构设计是可靠的。

（2）第一扭转振型的周期小于第一、二平动振型周期的O.5倍，结构平扭耦连效应小。另外楼层最大层间位移与楼层平均层间位移的比值均在1.O5之内，这均说明结构平面布置规则、对称、抗扭刚度大。

（3）设计中由于外筒有刚度较大的裙梁，角部设有部分剪力墙，使外筒整体抗弯能力大大加强，作为立体构件的工作特点明显，剪力滞后较小。在水平力作用下，由外筒柱、墙轴力形成的整体弯矩承担了底部总倾覆力矩的65%左右，角部墙体应力和翼缘框架中柱应力的比值在 2以内，内简墙体和外筒角部墙体均匀承担了总剪力的9O%左右，各构件基本无超筋超限的情况。

（4）在水平力作用下，竖向刚度均匀的简结构的楼层位移曲线一般呈反S形，出现最大层间位移角的反弯点一般在房屋高度的中上部。本工程在38层以下符合此规律，但在38层以上又出现了另一个有着较大层间位移角的反弯点，说明外框筒在39层的中断对结构刚度削弱较大，形成一个薄弱部位。

4 结构抗震设计

本工程高度140m，已超过规范规定的最大适用高度的2O%，存在高度超规范较多的高度超限问题。另外由于建筑功能要求，竖向存在有刚度突变而引起的薄弱层问题。对于这两个较突出问题，本工程设计中注重结构概念设计，采取了一些综合性抗震加强措施，抗震计算结果分析也表明，这些措施的采取是必要的，也是有效的。

（1）满足建筑功能要求的前提下，将主楼与裙楼设缝分开。即避免了主裙楼连为一体而引起的结构竖向刚度的突变，也避免了超高主楼对九层裙楼产生的较大偏心和连为一体后结构受力的复杂性。从而使主楼筒中筒结构的平面布置和竖向布置可尽量满足规则性的要求。

（2）在房屋四角结合建筑布置，设置部分墙体，增大结构刚度，使其在水平力作用下承担相应比例的内力，减轻内简和外柱的最大内力。

（3）选择可靠的持力层，加大基础埋深，由此保证超高建筑的抗倾覆能力。

（4）进行专门的场地安全性评价，确保场地地震动参数的可靠性。

（5）在弹性阶段的抗震验算中，采用两种不同的计算模型进行对比分析，同时选用了两组实测波和一组场地人工波进行弹性动力时程分析的补充计算。

（6）增大地震作用下的底层剪重比，提高结构可靠度，使纵横向剪重比均不小于3.2%。

（7）采用比规范更严格的抗震措施进行设计，进一步提高结构的变形能力和耗能性能。

5 结语

综上所述，本文主要介绍了某高层建筑现浇钢筋混凝土筒中筒超限高层的结构布置，抗震计算分析，主要抗震措施及有关的结构概念设计，为以后在这方面的设计提供有利的参考价值。