基于超高层建筑上部结构设计的概述

基于 超高层建筑上部结构设计的概述

文南兴

广东博意建筑设计院有限公司 ； 广东佛山 528000

摘要:超高层项目在这几年里如雨后春笋,越来越多。 伴 随着技术水平的提高和实践经验的增多,房子越建越高。 结 构设计在超高层里头显得尤为重要,担负着房子安全的重大 责任。 合理选择设计参数,结构方案类型,配合软件分析再 结合恰当的概念设计,使整栋建筑物在满足相关要求的前提 下,尽量做到安全、合理,显得尤其重要。本文针对超高层建筑上部结构设计进行分析探讨。

关键词:超高层;上部结构;设计

1 超高层建筑的概述

由于其体型巨大，功能复杂，容纳人员众多，投资十分庞大。通常由于它特殊的地位，成为一个地区的地标式建筑。近年，对这类建筑物称之为科技的集中体现，综合国力的象征，城市的标志等等，都是恰当的。其本身确实是体现了多方面的物质成就。它要耗费大量的人力、物力、财力。超高层建筑的建设和维护要耗费大量财富。

2 超高层建筑结构设计原则

建筑质量往往由其结构决定，对上部结构进行设计时，有 关人员应以现场情况为依据，尽量避免施工环节出现不必要 的调整，导致设计方、施工方及建设方遭受损失。在开展相关工作时，有两方面内容需要引起重视：①科学规划地质条件； ②合理确定抗震烈度，在保证建筑质量的基础上，将施工成本 降至最低。另外，结合实践所积累的经验可知，对上部结构进行设计的落脚点，通常是改善结构一致性与规则性，确保力传 导途径得到直接展现，这点同样需要加以考虑。

3 上部结构设计要点

3.1项目概况

某超高层项目位于交通便利、地形平坦的市中心，建筑总 面积约为 11 万 m²，分为地上 40 层和地下 2 层，其中，地上部分的建筑面积为 8 万 m²。为保证施工效果理想，建设方要求 对上部结构进行重点设计，促使该项目尽快投入使用。

3.2 基础与结构体系设计

3.2.1 基础设计

该项目基底土质以黏土和粗砂为主，还有少量粉质黏土及中砂，将勘察钻孔深度增加至100 m，仍没有达到岩层。结合勘察钻孔情况可知，桩端所受到阻力偏小，可通过后注浆的方式，对桩端阻力、桩侧摩擦力进行加强，塔楼下方形式为桩筏，灌注桩直径被控制在1000 mm 以内，这样设计的目的，主要是扩大桩侧接触面。另外，设计人员提出将中砂层作为桩端持力层，确保注浆效果达到预期水平。

3.2.2 结构体系设计

建筑主体结构为框架核心筒，其中，外框柱主要材质为混凝土，剪力墙为混凝土墙，楼盖结构为钢筋混凝土，采用现浇工艺。建筑 2 层的开洞较大，无法保证1层外框柱均有水平拉结对应，跨层柱数量为10根。24 层以上区域要将四角外框柱抽调，36层以上抽调框架柱的数量为8个，均位于四角处。核心筒整体结构相对规则，由于需要安装设备，其左上角及右下角剪力墙的开洞区域与转角距离较近，在结构设计及后续施工中，有关人员应对此引起重视。关于楼盖结构的设计，建筑 2 楼采取大开洞设计，剩余楼层仅对电梯洞口进行开设，在对

多方因素加以考虑后，有关人员最终决定通过直拉的方式，对核心筒角部与斜梁进行连接，这样设计既能够保证建筑性能达到建设方要求，又可以显著提升其经济性。

3.3 小震及中震分析

3.3.1 小震分析

对小弹性进行计算的工具为 ETABS、盈建科，有关人员需要综合考虑重力效应、侧移刚度、偶然偏心及双向地震等因素，基于弹性时程法对计算结果进行补充。该项目的局部楼板为弹性膜设计，剩余楼板为刚性楼板，通过计算可知，地震作用力和风荷载效应的数值大致相同，仅有36层的扭转位移比、位移角增加幅度较大，导致该情况出现的原因，主要是该层的数根框架柱被设置为斜柱，其抗侧刚度与其他楼层不同，位移角随之发生改变。建设方对该项目在抗震烈度方面所提出要求为不低于Ⅶ 度，故需要有关人员借助弹性时程法，对小震作用力进行补充计算。通过计算可知，斜柱层给位移角所产生影响较大，另外，11 层、22 层和 33 层均是设备避难层，其特点是层高较高，通常有刚度突变的情况存在，偏高的层高也在无形中减弱结构的抗剪承载力，在计算过程中，有关人员应将设备避难层设定成薄弱层，通过加密柱子箍筋的方式，确保建筑延性需到满足。

3.3.2 中震分析

有关人员计划使用盈建科软件验算构件承载力，基于规范反应谱对中震作用进行计算。受中震作用影响，1 层存在大偏心受拉情况的墙肢数量为3处，名义拉应力平均值和标准值的比未达到 1，这表明1层墙肢与偏拉验算所提出要求相符。当地基本风压取值为 0.8，受小震风荷载影响，墙肢受到拉力影响较大，除特殊情况外，均要对墙肢偏拉进行验算，结果 表明 1 层受拉墙肢的数量为 2 处，遂决定将受拉墙肢构造等 级更改为特一级，确保墙肢与偏拉验算所提出要求相符。建筑 底部加强区所设置墙肢的弯矩普遍较大，只有加大墙体配筋， 才能达到超高层建筑对抗弯性能所提出需求。外框墙肢的设计重点是对钢筋配筋率进行调整，确保建筑即使处于中震情况下，其抗剪弹性仍然能够达到预期水平。

3.4 其他专项设计

3.4.1 斜柱设计

该项目将斜柱设置在 36 层，上下层角度相差 16°，其材质 以钢筋混凝土为主，横截面的规格为 1000 mm×1000 mm。在 分析斜柱承载力时，有关人员所借助软件为 Midas Gen，分析结果表明，对斜柱轴力加以控制的荷载以活荷载、风荷载及恒荷载为主，在地震作用影响下，剪力与弯矩呈递增趋势。斜柱可向连接框架施加一定拉压力，拉力由上端水平梁负责承担，压力则由下端水平梁负责承担，框架梁形成内力大小与地震力的关系为正相关。加强斜柱、斜柱连接框架的要点如下：箍筋直径不得小于14 mm，沿柱进行加密处理。利用型钢加固斜柱框架梁，增加箍筋密度。调整斜柱上层及下层楼板厚度，双层配筋率以 0.5％为宜，确保配筋和框架梁始终处于协同工作的状态。作为超高层建筑核心构件的斜柱、斜柱连接框架梁，均要达到中震弹性以及大震不屈服的要求。

3.4.2 楼板设计

该项目主体建筑不设楼板,开洞数量较多，其中 6 层是裙楼屋面层，斜柱设置在36层，37层是转换层，有关人员决定利用 Midas Gen 分析楼板应力，结合分析图判断结构楼板薄弱区域，确保所制定加强方案能够取得理想效果。以开洞面积较大的 4 层为例，受中震作用影响，楼板表现出拉应力均未达到规定的 1.4 MPa，应力普遍集中在开洞区域和核心筒附近，裙楼主梁承受拉应力同样较大。有关人员综合考虑多方因素，最终提出以下设计方案：加厚开洞周围楼板，通过增加配筋的方式，确保楼板整体性达到预期水平。在应力集中区域增设适量附加板筋，加强阳角周围现有钢筋强度。加强核心筒连梁所对应配筋，分担楼板拉力。

3.4.3 跨层柱设计

该项目的跨层柱均位于1层和2层，柱长为12 m，数量为10根，对长度系数进行计算的依据为 2015 年有关部门针对混凝土结构所颁布的设计规范，要求单根构件长度应为层高的 1~1.25 倍，由于构件稳定性极易被附近构件所施加约束力影响，在对其长度系数进行计算时，有关人员应提前对整体模型进行建立。在忽略原始位移存在缺陷的情况下，该项目最先屈曲的角柱位于建筑西南侧，其长度为 7.6 m，其他数值均符合相关要求，这表明该项目所设置跨层柱的横截面尺寸合理，位移缺陷所造成影响可忽略不计。

3.4.4 转换构件设计

梁托柱转换均被设置在36层~屋面层的四角，数量为8根，在中震作用影响下，转换梁仍能够达到建设方提出的中震弹性要求，基于设防地震作用对其进行设计时，有关人员应将计算结果最大值作为主要依据，再确定包络设计方案。

4结语

总之，超高层建筑结构尤为复杂，因此，在对其上部结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。

参考文献：

[1]黄海涛.超高层建筑上部结构设计研究[J].低碳世界,2020,11(10):103-104.

[2]齐建林.某超高层建筑上部结构设计[J].广东土木与建筑,2020,28(07):15-20+36.

[3]邱仓虎,刘建平,张宇华,谢诗溶,杜文博.对超高层建筑结构设计中几个问题的实践与思考[J].建筑结构,2012,42(07):22-26.