超限高层商业楼的结构设计分析论文
随着社会经济的发展，商业建筑迎来了蓬勃发展的时期。在建筑功能不断集成的过程中，出现了一系列的结构问题：体量大、体型复杂、大跨、开洞等，因此现代商业建筑对结构设计的要求越来越高。本文将结合工程实例，总结超限高层商业建筑的结构设计方法，为此类项目的设计提供参考。
1 工程概况
某工程由 1 栋 6 层商业楼，4 栋超高层住宅楼，1 栋 59 层超高层办公楼组成。本文以 6 层商业楼为例，分析总结超限高层商业建筑的结构设计方法。结合 6 层商业楼的建筑功能和结构平面布置的特点，设两道防震缝将其分为 A、B、C 三个区，分区后仅 A 区属超限高层，故本文主要介绍商业楼 A 区，下文所提商业楼均指商业楼 A 区。
本工程所在地区基本设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度为0. 05g,设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期，多遇地震为 0. 35s,罕遇地震为 0. 40s.商业 A 区结构单元抗震设防类别为重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，故商业楼框架抗震等级应为 2 级。多遇地震计算时结构阻尼比取 0. 05,风振计算时结构阻尼比取 0. 02.
2 基础设计
商业楼基础设计等级为甲级，采用桩加防水板基础。根据前期试桩检测报告结论，采用Φ700 钻孔灌注桩，抗压兼抗拔桩。基础埋深12. 1m,远大于建筑结构高度的 1/18.经复核，风荷载及水平地震作用下基底均不出现零应力区，可满足高层建筑结构抗倾覆稳定要求。
3 地下车库设计
地下车库采用框架剪力墙结构，局部增加的剪力墙，主要有两个作用：一是为了使得地下 1 层与地上 1 层的剪切刚度比大于 2,满足正负零作为地上单体嵌固端的要求，二是为了更好地保证室内外高差处水平力的传递。商业楼室内及室外相关范围内，正负零零层采用梁板式结构，板厚 180 ~250,双层双向配筋，且配筋率不小于 0. 25%.
4 上部结构设计
（1）超限情况的判定
根据“住房和城乡建设部关于印发《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知（建质〔2010〕109 号）”,对商业楼的超限情况判定如下：商业楼结构高度 29. 2m,采用现浇钢筋混凝土框架结构，属于 A 级高度高层建筑，高度不超限。商业楼3 层以上竖向构件缩进大于 25%,属尺寸突变（立面收进）；商业楼地上楼层存在多处楼板有效宽度小于 50%,开洞面积大于30%的情况；④商业楼3 层和4层之间质心相差达 18m,大于相应边长的 15%,同时，考虑偏心扭转位移比大于 1. 2,小于 1. 4.
综合以上分析，商业楼属于超限高层建筑。
（2）上部结构计算分析
在小震作用下，全部结构处于弹性状态，构件承载力和变形应该满足规范的相关要求。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3 -2010 第 5. 1. 12 条的要求，本工程采用 SATWE 与 PMSAP 两种不同分析软件分别进行了整体内力及位移计算，两种软件的计算结果基本一致，结构体系满足承载力、稳定性和正常使用的要求。楼层最大位层间移角小于 1/550,满足 JGJ 3 - 2010 第 3. 7. 3 的要求；在刚性楼板假定下，虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值均小于 1. 4.
根据建筑抗震设计规范 GB50011 - 2010 第 5. 1. 2 条，对不规则建筑应采用时程分析进行多遇地震下的补充计算。本工程所选的三条波为 TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035,每条时程曲线计算得到的结构底部剪力均大于 CQC 法的 65%,三组时程曲线计算得到的底部剪力平均值大于 CQC 法计算得到的底部剪力的 80%,故所选三条波满足规范要求。时程分析的结果表明，结构体系无明显薄弱层，时程分析法包络值较 CQC 法计算结果小，故结构的小震弹性设计由 CQC 法计算结果控制。
根据高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3 -2010 第 5. 1. 13 条的要求，对商业楼采用弹塑性静力分析方法进行了补充计算。两个方向罕遇地震下性能点最大层间位移角均小于 1/50,小于规范弹塑性位移角限值，因此宏观上商业楼所用结构体系能保证大震不倒的设计要求。
在通过二阶段设计实现三个水准的基本设防目标以外，针对本工程的具体情况，提出了以下抗震性能化目标：设防地震作用下，中庭连廊等薄弱处楼板内双层双向钢筋不屈服；设防地震作用下，悬挑梁根部框架柱及大跨梁两端相连框架柱斜截面抗剪按弹性设计，正截面抗弯按不屈服设计；PMSAP 楼板应力分析结果表明，中庭连廊根部、平面凹口阴角位置一般为应力集地区域，在多遇地震作用下，楼板主拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值，楼板不会开裂，在设防地震作用下，应力集中位置楼板主拉应力略大于混凝土抗拉强度标准值，但适当加大楼板配筋，即可满足楼板内钢筋不屈服。
在设防地震作用下，利用 SATWE 进行弹性设计和不屈服设计，分别校核悬挑梁根部框架柱及大跨梁两端相连框架柱的箍筋和纵筋，并与多遇地震计算结果一起进行包络设计。计算结果表明，配筋值均在合理范围，配筋切实可行。通过以上性能化设计措施，在对结构的经济性影响较小的情况下，提高了结构的抗震性能，增加了建筑的安全性。
（3）上部结构设计针对偏心布置和扭转不规则，设计时，尽量使结构抗侧力构件在平面布置中对称均匀布置，避免刚度中心与质量中心之间存在过大的偏离；加强外围构件的刚度，增强结构的抗扭性能。计算时，考虑偶然偏心的影响，设计时适当加强受扭转影响较大部位构件的强度、延性及配筋构造。通过调整结构布置，将考虑偶然偏心下的'最大位移比严格控制在 1. 4 以下，第一扭转周期和第一平动周期比严格控制在 0. 9 以下。
针对立面收进带来的扭转不利影响而采取的抗震措施详第（1）条。构造上，对收进楼层（4 层）加厚至 140mm 且双层双向加强配筋，配筋率不小于 0. 25%,但为减小大跨部分楼板自重，室内大跨度区域楼板厚 120mm,屋面大跨度区域楼板厚 130mm,收进部位上下层楼板（3 层和 5 层） 厚度不小于 120mm,并双层双向加强配筋。根据《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 -2010》的相关规定，体型收进部位上、下各两层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级提高一级，框架柱在此范围内箍筋全高加密，提高纵筋配筋率；收进部位以下两层结构周边竖向构件配筋加强。
针对因开洞形成楼板不连续情况，整体计算时按实际开洞情况建模，并将以上楼层定义为弹性膜，以考虑楼板不连续对结构的影响；同时，构造加厚连廊等薄弱区域楼板至 130mm 厚，并双层双向配筋，配筋率不小于 0. 25%.
5 结语
本文对某超限高层商业楼的结构设计进行了简要介绍，主要的设计要点可总结如下：（1）结合建筑功能和结构布置合理设缝，规避平面布置的不规则；（2）优化布置结构抗侧力构件，适当加强外圈构件的刚度，提高结构的抗扭性能；（3）采用两种软件进行多遇地震弹性分些，结构应满足相应的强度和刚度要求；（4）对结构进行多遇地震下的弹性时程分析，验证结构体系的合理性，并与振型分解反应谱法进行包络设计；（5）补充罕遇下的静力弹塑性分析，控制性能点层间位移角不大于规范要求；（6）根据工程的具体情况，提出合理的抗震性能化设计目标；（7）利用概念设计原理，结合规范要求，对薄弱部位进行构造加强。
参考文献：
[1]吕西林。 超限高层建筑工程抗震设计指南[M]. 上海：同济大学出版社，2005.
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