时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要：对一个超高层建筑来说，与建筑相适应的结构体系、结构布置等概念设计不是绝对的但合理的结构设计应该是惟一的。本文根据笔者多年的工作经验，对某超高层建筑结构设计进行分析，以供同行借鉴参考。
关键词：超高层建筑,结构设计
一、超高层建筑的结构设计特点
超高层的结构体系选择与低层、多层的建筑相比，超高层建筑的结构设计显得十分重要。不同的建筑结构体系选择可以对建筑的楼层数目、平面布置、施工技术要求、各种管道的布置及投资多少等产生最为直接的影响。超高层的建筑结构设计主要具有以下几个特点：
1 水平力是超高层建筑结构设计的主要因素。有研究证明，楼房的自重与楼面的载荷在竖向放人构件中所产生的弯矩与轴力大小仅仅是与楼房的高度一次方形成正比，但是水平载荷对与建筑所产生的倾覆力矩以及轴力的大小则是与楼房的高度二次方形成正比。因此在超高层的建筑设计中，水平力是设计主要因素。
2 轴向变形是不可忽视的。当楼层十分高时，由于楼房的自重而产生的轴向压应力会导致楼房的中柱产生出较大轴向变形，会直接导致连续梁的中间支座处负弯矩值直接减小，从而导致跨中正弯矩值与端支座的负弯矩值增大。
3 侧移做为控制指标。超高层的建筑结构侧移随着高度增加会迅速的增大(侧移量和楼层之间高度四次方是正比关系)，所以结构侧移是超高层建筑结构设计的关键因素。
4 抗震设计的要求更高。超高层的建筑抗震设计必须要做到\"三水准\"要求，即\"小震不坏，中震可修，大震不倒\"。
二、工程概况
某大厦由一栋30层写字楼、一栋2层商业附楼和4层地下室组成，总建筑面积90149m2，屋面结构高度18280m、停机坪结构高度19320m。
三、总体结构设计
1 结构选型
本工程采用钢筋混凝土框架一核心筒结构，虽然其结构承载能力和抗变形能力比筒中筒结构差，但避免了结构竖向抗侧力构件的转换，满足了建筑立面效果和使用要求。为解决建筑首层层高120m、结构高度超限及减小柱截面等问题，下部若干层采用钢管混凝土组合柱，楼盖采用现浇普通钢筋混凝土梁板体系。
承载力和水平位移计算时，基本风压均按重现期为100年的0.90kN/m3取值，(广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》JG13—2002补充规定DBJ/Tl5—46—2005尚未颁布)。由于结构侧向位移不满足限值要求，在第3O层利用建筑避难层，设置了钢筋混凝土桁架的结构加强层，结构加强层是一把双刃剑，虽然可提高结构抗侧移刚度，也使得结构竖向刚度突变，所以结构加强层及相邻层按《高规》要求进行了加强处理。
2 超限措施
本工程结构平面形状规则、刚度和承载力分布均匀，竖向体型也规则和均匀、结构抗侧力构件上下连续贯通(如图1)，除结构高度超过适用限值外，其它指标通过调整后均达到未超限。
由于结构高度超限、而且首层层高12.0m，超限应对措施把首层及下部若干层的结构抗侧力构件作为加强的重点：l～15层框架柱采用钢管混凝土组合柱、1～2层核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱、首层抗震等级提高一级。钢管混凝土柱有着卓越的承载能力和变形能力，但其防腐和防火材料不仅造价较高还有时效性，需考虑今后的维修保养，钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱可弥补这方面的缺陷。核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱，以解决由于首层层高较大，使得剪力墙端部应力集中的问题，并提高剪力墙的承载能力和抗变形能力。
四、钢管混凝土组合柱的梁柱节点
在工程中往往仅在框架柱中采用钢管混凝土，而框架梁则采用普通钢筋混凝土，钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁的连接节点成为工程中难点之一。目前常用的连接节点有：钢牛腿法、双梁法、环梁法、钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法等，本工程采用在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点，为连接节点的设计提供多一种选择。
1 钢管开小孔的连接节点构造(如图2)。钢管上开穿钢筋小孔的连
接节点做法要点如下：
① 钢管开小孔：小孔直径D=钢筋直径+10mm，小孔水平间距：3×D，小孔垂直间距=2×D;
②钢管水平加强环：梁顶面和梁底面各设置一道，环板宽度：钢管混凝土柱时，取0.10倍钢管直径、钢管混凝土叠合柱时，取65~100mm;环板厚度=0.5t且≥16mm(t为钢管壁厚);
③钢管竖向短加劲肋：紧贴水平加强环，肋宽=环板宽一15mm，肋厚=环厚，长度为200mm，布置在梁开孔部位的两侧和中间;
④梁钢筋尽量采用直径较大的HRB400级钢筋，以减少钢管开孔数量。在钢管混凝土叠合柱时，部分梁钢筋可以在钢筋混凝土柱区域穿过。
2 钢管开小孔连接节点的优点
①钢管开小孔后对钢管截面削弱不大，梁钢筋穿过小孔后剩余的缝隙很小，钢管对管芯混凝土的约束力基本没减少，不影响钢管混凝土柱的承载能力和变形能力;②梁钢筋直接穿过钢管后，梁可以可靠的传递内力，梁长范围内的刚度保持不变，结构受力分析与实际相同。(钢牛腿法和钢管开大洞后补强法，在梁端范围内有相当长度的型钢，使得梁刚度急剧变化);③在设置水平加强环和竖向短加劲肋补强后，钢管在节点区是连续的，节点的刚性不受影响，满足\"强节点弱构件\"的要求;④ 现场施工较方便，即使圆弧形梁钢筋也可顺利穿过;⑤节点补强所用材料比钢牛腿法和钢管开大洞法减少很多，造价较低。#p#分页标题#e#
五、剪力墙平面外对梁端嵌固作用的分析
对于框架一核心筒结构，部分框架粱要支撑在剪力墙平面外方向，剪力墙平面外对梁端嵌固作用究竟如何，其研究文献较少，设计标准和规范也没有涉及。影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用的主要因素：墙平面外对粱端嵌固作用的有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。目前常用的计算分析软件虽然具有墙元平面外刚度分析功能，但未考虑墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度，当遇到墙肢很长或筒体墙肢空间刚度很大情况时，计算分析软件会高估了墙平面外对梁端的嵌固作用，使得梁端负弯矩计算值要大于实际值，本工程应对措施如下：
1 采用梁端增加水平腋方法，用以直接增加墙平面外对梁端嵌固作用有效长度;
2 采用增加墙边框梁方法(如图3)，用以增加墙平面外对梁端嵌固的局部刚度。墙边框梁截面宽度应不小于0.4倍梁纵筋锚固长度，墙边框梁截面高度应大于楼面梁截面高度，为保证梁端剪力通过墙边框梁均匀传递到墙上，墙边框梁宽出墙厚处用斜角过渡;
3 为保证梁正截面设计更加符合实际受力情况，梁端计算弯矩可以采用\"调幅再调幅\"方法，即分析计算时设定梁端负弯矩调幅系数后，配筋时再局部手算调幅。\"调幅再调幅\"时，应考虑构件的刚度、内力重分布的充分性、裂缝的开展及变形满足使用要求。
六、核心筒外墙的连梁设计
核心筒外墙的连粱纵筋计算超筋是非常普遍的情况，《高规》对连粱超筋有专门的处理措施，而且研究文献也少，但计算模型的选取也是重要因素之就一。
《高规》规定，跨高比小于5时按连梁考虑，即连梁属于深弯粱和深粱的范畴，其正截面承载力计算时，已不能按杆系考虑，也就是已不符合平截面假定，但许多分析软件仍然把连梁按杆系计算，其计算偏差当然是很大了。
按\"强墙弱梁\"和\"强剪弱弯\"原则进行连梁设计时，虽然《高规》对连梁设计有具体要求，但这个\"弱\"要到什么程度，还是取决于设计者的理解和经验。
本工程核心筒外墙的连梁按《高规》要求进行设计，除连梁均配置了交叉暗撑外，对非底部加强部位剪力墙的边缘构件也进行了加强处理，以满足\"多道抗震防线\"和\"强墙弱梁\"的要求。
七、结束语
随着社会经济的飞速发展，超高层建筑只会越来越多，同时会迅速的向着超高化、普遍化、功能综合化、环境生态化、管理智能化的方向不断发展，超高层建筑的结构体系选择问题将会变得日益突出。因此，我们建筑结构设计人员需要掌握更为先进的设计方法，创作优秀作品。
