超高层结构设计

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超高层结构设计范文第1篇

[关键词]超高层建筑结构设计；部分框支-剪力墙结构；高位转换

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

0.引言

我国人多地少，土地资源有限对居住的高容积率要求迫切。随着城市化进程的加快，大量人口涌入城市，城市住宅的需求量不断增加，相比水平方向上无限制延伸，城市中心的高容积率应是更适宜的建设策略。中国的城市规划不能一味的向西方的郊区化模式学习，而是要建设符合中国目前状况的集约化住宅，使住宅建设符合我国大城市的可持续发展性道路。由于土地稀缺，城市住宅问题难以得到迅速解决，为了能够对土地进行合理的开发建设，政府部门更为重视节地的建设政策。对于开发商而言，在寸土寸金的城市中心区，高层住宅己经无法满足其对利润最大化的追求。而同时，技术的发展己经较为成熟，能够解决超高层住宅的竖向高度所带来的相关技术问题，这就促使了超高层住宅开始大量建设的发展背景。本文对超高层商住楼结构设计进行了分析。

1工程概况

该工程位于某体育路西面、体育场北面，是集商业、居住为一体的综合性建筑。地下二层，地上 A 栋主体结构高度178.5m，共 57 层，一～三层为商场，四层为结构转换层，五层以上均为住宅。本工程于 2009 年初完成施工图设计，目前已投入使用阶段。综合建筑功能、结构安全、经济等因素，本工程实施阶段采用了部分框支-剪力墙结构体系，在四层设置了结构转换层。底部结构体系主要由电梯核心筒及周边框支柱组成，框支柱截面尺寸在1200x1200～1500x1500 之间，柱距在 5～8.5m，转换层以上主要为剪力墙结构体系，转化层结构形式采用现浇钢筋混凝土梁式结构，楼板采用普通钢筋混凝土现浇结构。图 1、2 分别为结构转换层及标准层结构布置图。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，本工程属于 B 级高度建筑，在框支梁布置上主要采用框支主梁转换，避免主、次梁转换多次传力，确保转换结构传力明确、直接。为保证水平力传递的整体性和可靠性，转换层及其上下层楼板厚度不小于 150mm，标准层电梯核心筒内及其周边楼板不小于 150mm，局部根据楼板应力分析予以加厚加强。

2 结构超限及性能目标

2.1 超限情况

参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010) 、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）[1]，本工程主要有以下 3项属于超限设计：1）结构高度超 B 级高度，超过规范限值约 27.55%；2）五层楼面竖向剪力墙不连续，属于带框支转换的复杂高层；3）存在楼板平面局部不连续。

2.2 性能目标

考虑结构的重要性和超限程度，按照性能化设计思想，对主要结构构件提出以下性能设计目标，见表 1。

3 结构计算分析

3.1 多遇地震及风荷载作用下整体分析

工程整体分析主要采用了 SATWE 和 ETABS 程序。结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦连、重力二阶效应、施工模拟。结构嵌固端取在地下室顶板处。转换层及其上、下层楼面采用弹性膜计算，考虑面内刚度，其余采用刚性楼板假定，结构阻尼比取 0.05。风荷载作用重现期为 50 年时，基本风压 W0=0.30kN/m2；重现期为 100 年时，W0=0.35kN/m2；地面粗糙度类别为 C 类；风载体型系数：1.4。本工程属丙类建筑，属于 6 度设防区，设计地震基本加速度为0.05g，场地类别为Ⅱ类，地震分组为第一组。根据两个不同软件的分析结果，可以看出两个不同核心软件计算结果较为接近，说明计算分析结果可信。从计算结果可知，虽然本工程存在竖向构件不连续不规则，但不存在楼层刚度突变和抗剪承载力突变情况，即不存在明显的软弱层和薄弱层。结构两个方向的周期较为接近，扭转周期和第一平动周期比小于 0.85 的要求，剪重比分布合理，刚重比符合稳定要求，需考虑 P-Δ 效应。地震作用和风荷载作用下的层间位移角均满足规范限值要求。计算分析表明，本工程的结构布置及截面选择构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

3.2 设防地震下作用分析

采用 SATWE 进行中震不屈服验算，抗震承载力调整系数取 1.0，荷载分项系数取 1.0，风荷载组合系数 0.2，材料强度取标准值，按反应谱法计算，判定地震作用标准组合效应是否大于按材料强度标准值计算的抗震承载力，若 SK≤RK，即为构件在该地震作用下不屈服。计算表明，墙、柱在中震下均未屈服，转换梁未屈服，所有楼层梁均未受剪屈服，25~40 局部楼层有框架梁受弯屈服，说明结构满足上述中震设防性能目标要求。

3.3 罕遇地震下作用下结构变形验算

采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层结构弹塑性动力分析软件 EPDA 进行弹塑性分析。钢筋及混凝土材料采用标准值，考虑重力荷载代表值及 P-Δ 效应的影响。结构最大变形远小于规范限值要求，由于本工程位于 6 度区，其罕遇地震强度仅相当于 7 度中震水平，在采取适当提高的抗震措施（如底部加强区墙体及框支柱抗震提高为特一级等）后，罕遇地震作用不会致使结构刚度严重退化，结构实际上还主要是对强度的需求，延性变形不起控制作用。

4 针对超限情况采取的技术措施

针对上述情况，结构设计采取了下述主要措施：

4.1 采用两个不同力学模型的空间结构分析软件 SATWE 和ETABS 进行计算，考虑扭转耦联、偶然偏心地震作用、重力二阶效应及施工模拟，对关键构件如加强区落地剪力墙、框支柱、转换梁及关键层连梁等采用两个软件计算结果的包络值进行设计。

4.2 采用合理的抗侧力结构布置，避免结构层抗侧刚度突变和抗剪承载力突变。

4.3 底部加强区范围内落地剪力墙及框支柱在罕遇地震下的延性和承载力富余是保证结构安全性的关键，为保证上述构件有足够的承载力储备，转换层以下墙柱混凝土强度等级用 C60，并控制底部加强区剪力墙轴压比在 0.5 以下，框支柱的轴压比在 0.6 以下。

5 结语

本工程为超限高层，有 3 项不规则超限。通过对结构布置进行多次优化调整，对关键构件在计算及构造措施上作适当加强，使其具有良好的抗震性能。计算结果表明，结构能够满足竖向荷载承载的需求，常遇地震作用下层间位移角、侧向刚度规则性、扭转规则性均符合规范要求，保证了小震下结构的性能水准：震后完好，处于弹性状态，无损伤。采用 SATWE 对结构进行设防烈度地震作用下计算，以满足中震性能水准：重要构件不屈服，所有构件不发生剪切破坏的抗震性能目标；采用 EPDA 对结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，计算结果表明，结构在罕遇地震下满足第三水准“大震不倒”的设防要求。因此，本结构设计上是可行、安全且经济的。

参考文献

[1]深圳大学建筑结构研究中心,卡塔尔某超高层建筑结构设计研究综述报告[R],2006(英文版).

[2]第全国高层建筑结构学术交流会论文集[C],中国建筑科学研究院,2006.

[3]徐培福,复杂高层建筑结构设计[M],中国建筑工业出版社,2005-02.

[4]龚耀清,包世华,超高层建筑空间巨型框架的稳定计算[J],工程力学,Dec·2004,21(6):36-40.

[5]傅学怡,高层及超高层钢筋混凝土结构的徐变影响分析[J],深圳大学学报理工版,Oct·2006,23(4):283-290.

超高层结构设计范文第2篇

关键词：复杂高层；超高层；建筑结构设计

引 言

复杂高层与超高层与普通的高层建筑有所不同，必须引起设计人员的注意。随着超高建筑物的不断增加，虽然逐渐地暴露出一些设计方面存在的不足，但这些问题为人们在日后的超高建筑建设方面积累了一定的经验。为此，本文首先对复杂高层与超高层建筑与普通高层的差异进行比较，然后对复杂高层与超高层建筑的结构设计进行论述。

1 复杂高层与超高层建筑和普通高层建筑在结构设计上的区别

复杂高层与超高层建筑和普通建筑在结构设计上存在明显的差异，一般普通高层的高度基本都建立在200m以内，而复杂高层与超高层建筑的高度基本都在200米以上乃至上千米。对于普通高层，人们大多采用的是混凝土的结构设计，但复杂高层与超高层建筑在结构设计方面还可以选择全钢结构或者混合的结构设计。同时由于复杂高层与超高层建筑对消防以及机电设备的要求要更高一些，因此要考虑到避难层与机电设备层的设计。为避免地震等自然灾害对建筑物的破坏，复杂高层与超高层建筑在平面形状的选择上较普通的高层建筑要少得多，并且要满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的抗震要求。另外复杂高层与超高层建筑需要考虑风载荷作用下舒适度的问题，而普通高层建筑无需考虑。

2 复杂高层与超高层建筑结构设计需要考虑的问题

2.1 抗震设防烈度

对于超过100m以上的建筑物，在不同强度的抗震设防烈度下，对于建筑物的高度要求也是不尽相同的。一般情况下，抗震设防烈度在8度的区域不适宜建设300m以上的建筑物，复杂高层与超高层建筑适合建设在抗震设防烈度在6度的地区。

2.2 结构方案

对于一个优秀的建筑设计师来说，在设计中首先就要考虑到建筑物的结构方案问题，尤其对于复杂高层与超高层建筑来说，如果结构方案选择不当，将会引起整个方案的调整，因此，在设计单位进行建筑方案设计时，需要有结构专业参与到设计当中。

2.3 结构类型

在复杂高层与超高层建筑结构类型的选择上，人们不但要充分考虑到拟建方案所在地的岩土工程地质条件，同时要考虑到该区域的抗震度要求。另外，为了节约建筑成本，人们还需要充分考虑到在工程造价问题以及施工的合理性问题，同等条件下选择造价较低的合理的结构类型。

2.4 关注舒适度和施工过程

2.4.1 高层建筑水平振动舒适度

复杂高层与超高层建筑因其结构较柔，设计时，除保证结构安全外，还需满足室内居住人群的舒适度要求，高层混凝土规程、高钢规程均提出了明确的设计要求，需对高层建筑物在顺风向和横风向顶点最大加速度进行控制。复杂高层建筑需讲行舒适度分析，对混凝土结构阻尼比宜取0.02，对混合结构、钢结构阻尼比可根据情况取0.01～0.02舒适度验算时，可取10年重现期下风压值进行。高层混凝土规程和高钢规对舒适度验算的要求，公寓类建筑（如住宅、公寓）和公共建筑（如办公、旅馆）因功能不同，其水平振动指标限值也有所不同。当水平振动舒适度不满足或为进一步提高舒适度水平时，可采用增设TMD（可调质量阻尼器），TLD（可调液体阻尼器）等方法实现。

2.4.2 大跨、悬挑柔性楼盖竖向振动舒适度控制

复杂高层建筑设计中常设计大跨度楼板、空中连桥、大跨悬挑等复杂建筑特征，此类部位由干结构竖向自振频率较低，与行人激励频率相近，彼时需对楼盖设计时的舒适度问题予以关注。高层混凝土规程要求楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，且对不同竖向自振频率下的楼盖竖向振动舒适度峰值也提出了控制要求。因适用对象不同，住宅、办公建筑、商场及走廊建筑的竖向振动峰值加速度限值亦不相同。

2.4.3 设计时应考虑施工建造过程的可实施性

设计人员在结构设计时，应注意复杂节点部位钢筋及钢材传力的可靠性以及现场施工的可实施性。型钢混凝土梁柱节点中主筋与型钢相交时常用四种处理方法：①钢筋绕讨型钢；②型钢表面焊接钢筋连接套筒；③钢板上开洞穿钢筋；④钢筋与型钢表面加劲板相焊接。复杂高层建筑施工方法会采取一些特殊工艺，如某塔采用“内理型混凝土施工、造型中部增设水平临时支撑桁架”见图1。

3 复杂高层与超高层建筑的结构设计

3.1 风载荷

在复杂高层与超高层建筑的结构当中，由于建筑结构的第一自振周期与其所在地面卓越周期相差很大，随着建筑物高度的不断增加，风载荷的影响要远远大于地震对建筑物的影响，特别是对于一些比较柔的复杂高层与超高层建筑，风载荷是它结构设计中的控制因素。因此，人们有必要对风载荷进行专业的研究。一般情况下，我国规定风载荷的计算公式为Wk=βzμsμzW0，其中μz为风压高度的变化系数。其中A类地面：μz=0.794Z0.24；B类地面：μz=0.479Z0.52；C类地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑结构荷载规范》当中，对200m以上的复杂高层与超高层建筑也进行了相应的规范，其中就包括在对复杂高层与超高层建筑确定非圆形截面横风向风振等效风荷载情况时，要求必须进行风洞试验。它的主要目的在于通过试验对建筑外形的空气动力进行进一步优化，同时确定围护结构以及主体结构的风载荷的标准值，对设计整体进行优化。

3.2 重力载荷

对于复杂高层与超高层建筑，在设计时要考虑到重力载荷的传力情况，实现合理的传力途径，因此在设计时对于重力载荷的途径要尽可能地直接明了，同时要充分考虑到因建筑外圈框架和核心筒之间轴压比之间的差异而造成的变形差对水平构件产生的影响。一般采用一些施工的处理方法连接框架与核心筒。

3.3 混合结构的设计

在复杂高层与超高层的建筑当中，很多时候都会采用混合结构设计，混合结构分为三种，而在实际中常用的是圆钢管或者是矩形钢管的混凝土框架与钢筋混凝土核心筒的混合结构，以及型钢混凝土框架与钢筋混凝土核心筒（内外框梁为钢梁或型钢混凝土梁）的混合结构两种。每种结构类型在设计上对钢材用量的需要也不尽相同。在设计中，要考虑到对型钢、圆钢管混凝土中柱钢骨的含钢量，严格按照技术规程的要求进行控制，同时，在钢筋混凝土的核心筒要设置型钢柱，这样就可以确保型钢混凝土、筒体延性相同，从而促使它们两者之间的竖向变形减小。对于结构抗侧刚度无法满足变形需要的混合结构，人们采取相应措施进行弥补。比如，设置水平伸臂桁架的加强层，或利用避难层或设备层在外框或外框筒周边设置环状桁架。

4 复杂高层与超高层建筑结构设计的关键点

4.1 构造设计要合理

在对复杂高层与超高层建筑物进行设计时，必须保证构造的设计谨慎并合理，重点要注意对一些薄弱的部位进行加强，避免出现薄弱层，充分考虑到温度应力对建筑物的影响以及建筑物的抗震能力，注意构件的延性以及钢筋的锚固长度，在对平面和立面进行布置时要确保平整均匀。

4.2 计算简图要合适

计算简图是对建筑物结构进行计算的基础，它直接关系到复杂高层与超高层建筑的结构安全。为了保证结构的安全性，人们必须从计算简图抓起，慎重研究，合理选择，对于存在于计算简图中的误差，要保证其值控制在技术规程允许的范围内。

4.3 结构方案选择要合理

建筑方案的合理性取决于结构方案是否合理，因此，在选择结构方案时不但要充分考虑到经济因素，还要充分考虑方案的结构形式和结构体系，同时能够充分结合设计要求、材料、施工以及自然因素等来确定结构方案，确保结构方案的合理性。

4.4 基础方案选择要合理

在进行基础方案的设计中，设计师要考虑到载荷的分布情况，工程所在的自然因素、地质条件，施工方的施工条件，周围建筑物对所设计建筑物造成的影响等各方面因素，以此来确保基础方案的选择既经济又合理，达到最优效果。

5 结束语

复杂高层与超高层建筑是社会发展的必然结果，随着科技进步，越来越多的复杂高层与超高层建筑将会逐渐亮相于城市之中，我们虽然在复杂高层与超高层建筑当中取得了一定的成绩，但仍需我们不断研究与改进，使复杂高层与超高层建筑的结构设计更加完美，发展更为迅速。

参考文献

[1]陈晓丹.超高层建筑设计中需要注意的问题[J].企业技术开发.2011（01）：24～25.

超高层结构设计范文第3篇

由于高层、超高层的高层建筑与普通的有所不同，因此就更需要设计人员引起注意。随着不断增加的超高建筑物，逐渐地暴露出一些关于设计方面所存在的不足，比如抗震设防不准确、建筑结构和类型的不合理，以及没有最大程度地考虑建筑的舒适度和施工过程等等，当问题出现时，就必须采取措施，解决问题。当然在采取措施的同时，还有相应的要点需要进行深度的分析，例如建筑时需注重抗震设计、科学并且合理地选择建筑结构的抗侧力体系以及重视概念设计等方面。与此同时，这些问题的存在同样为设计师积累了一定的关于日后超高建筑建设的经验。随着建筑技术的迅速发展，高层建筑的数量不断增多，其复杂性同样在持续增加，以至于对于建筑的安全性与经济性的要求也越来越高。无论是从结构设计所积累的经验还是理论研究，想要在一定程度上保证其安全性，还需继续探索。

二、设计复杂高层以及超高层建筑时需要考虑的问题

1.抗震设防烈度。对于超过一百米以上并且承受不同强度的抗震设防烈度的建筑物，所被要求建筑物的高度同样是不尽相同的。通常情况下，三百米及以上的建筑物不适合建在抗震设防烈度为八度的区域，因此，复杂性高层以及超高层建筑更加适合建设在六度抗震设防烈度的地区。综合考虑以上因素，在建设复杂高层以及超高层建筑时，就应该将该地区的抗震设防烈度考虑在内，以免造成技术错误，防止人民的生命财产产生不该有的损失。作为一名设计师，就应该十分重视抗震技术，提高高层建筑的质量，包括建筑的安全性以及经济性，从建筑的细部处理出发，坚持以人为本的原则，才能切实有效地保障人民群众的财产安全。

2.结构方案与结构类型。想要成为一名优秀的建筑设计师，首先一定要考虑到在设计中的建筑物结构方案的问题，特别是复杂性高层以及超高层建筑，结构方案的不合理选择，很容易导致整个方案的调整，产生许多不必要的麻烦，给设计单位带来损失。因此，设计单位就应该在进行建筑方案设计的同时，具备结构专业知识，并将其参与到设计当中。与此同时，在高层结构类型的选择上，设计师不仅仅要将方案所在地自身岩土工程地质条件充分考虑在内，而且要充分考虑所在地的抗震度要求。除此之外，为了可以更好地节约建筑成本，工程造价问题和施工合理性问题也应该充分考虑在内，同等条件下，当然青睐造价较低的方案。

3.关注舒适度和施工过程。(1)高层建筑水平振动舒适度。通常来说，复杂性高层以及超高层建筑的结构比较柔软，因此，在设计的时候，除了要保证结构安全之外，更多的是需要满足居住人群对于建筑舒适度的要求；当然对于高钢规程以及高层混凝土规程同样提出明确的设计要求，这就需要设计师及时控制，特别是在高层建筑物已经达到顺风向与横风向顶点的最大加速度。进行舒适度分析是复杂高层建筑进行分析的主要任务，对于混凝土的结构，阻尼比最好取0.02，对于钢结构以及混合结构，其阻尼比可以根据实际情况在0.01~0.02之间取。公共建筑与公寓类建筑相比，水平振动指标限值也有很大的区别，其主要原因就是功能的不同。增设TMD或者TLD可以在水平振动舒适度不合格的情况下，进一步提高舒适度水平。(2)在设计的同时应考虑建造过程的可实施性。及时注意钢材传力以及复杂节点部位钢筋的可靠性、施工的可实施性，这是设计人员在结构设计的同时必须要做到的。通常来说，有四种处理的方法来解决型钢与其混凝土梁柱节点中主筋相交的问题：①钢筋与表面的加劲板焊接；②钢筋绕过型钢；③钢板上开洞穿钢筋；④其表面的焊接钢筋和连接套筒。复杂的高层建筑则会在施工方法上采取另外一些特殊的工艺。

三、设计要点分析

1.注重概念设计。通过大量的实践经验，我们可以总结出，在复杂超高建筑的结构设计上，应该要重视建筑的结构概念设计，尤其应该重视以下环节：（1）应该尽可能地提升建筑结构的规则性以及均匀性；（2）确保结构的传力途径清晰而又直接，特别是抗侧力以及结构竖向的传力途径；（3）在设计上，将结构的完整性保持在一个较高的水平上；（4）节能减排的意识要渗透进设计，能够建立一个比较合理的耗能机制；（5）重点提高建筑构件材料利用效率与结构，保证结构的受力完整性。在这里，所有过程的实现，都是离不开建造师与工程师较好地沟通与交流的，只有沟通，才能将建筑与结构相统一。

2.科学、合理选择结构抗侧力体系。大量的理论与实践证明，正确地选择了合理的抗侧力体系，可以更有效地保证复杂高层以及超高层建筑结构的安全。因此，在选择上要特别注意以下因素：（1）与建筑的实际高度相结合，选择合理的结构体系。（2）对于建筑设计上，最大可能地保证结构抗侧力的构件之间的互相联结。（3）对于采用多重抗侧力结构的情况下，综合分析结构体系的效用，正确估计和评判各自的贡献度。

四、总结

超高层结构设计范文第4篇

一工程概况的地基基础 某项目地上建筑面积为13.45万m，地下建筑面积为4.3万m，总建筑面积为17.75万m。根据岩土工程勘察报告，本工程场地地基土层为第四纪冲海积的黏土和淤泥层，基底岩性为侏罗纪熔结凝灰岩，场地内无液化土层。宾馆塔楼柱下荷载最大达3.8×104kn，商务塔楼柱下荷载最大达3.5×104kn，采用大直径灌注桩，平板式桩筏基础。经优化比较，桩径 700～1100较为合理。商务楼和宾馆塔楼下筏板厚度为3m，其他位置底板采用厚板式，板厚为1.2m。针对本工程塔楼和辅楼预期存在的沉降差异问题，在各塔楼与辅房之间设置后浇带，并配合相应的后浇带处理措施和大体积混凝土浇筑措施，解决了超长结构混凝土的收缩裂缝问题和塔楼与辅楼间的沉降差异在基础底板中产生过大内力的问题。

二结构设计与计算 ⑴结构体系。塔楼外框架柱采用现浇钢筋混凝土柱，钢筋混凝土柱外框架体系将作为有效的承重支撑，大部分竖向荷载通过轴力方式向下传递，而混凝土核心筒除了承受竖向荷载外，其主要功能是提供强大的抗侧力能力。《建筑抗震设计规范》规定：6度区现浇钢筋混凝土框架一核心筒结构适用的最大高度为150m，本工程两塔楼的房屋高度均为161.1in，仅超过11.1m；本工程属b级高度，而《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：6度区框架一核心筒结构b级高度建筑的最大适用高度为210m，还有48.9m才超限；大跨度钢结构连廊的存在使得本工程属于特殊类型的高层建筑(大跨度连体)。但由于本工程塔楼高宽比h／b为4.4并不大，两塔楼的平面及竖向结构特性变化较少，且连廊与塔楼采用弱连接，对塔楼耦合影响小。计算分析结果也表明无异常薄弱层出现，且以风荷载为控制水平作用。综上所述，本工程有两项轻微超限，设计时采取必要的抗震加强措施，在技术上是可行的，顺利通过设计审。 ⑵弹性计算。本工程采用中国建筑科学研究院编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件sat–we》、《特殊多、高层建筑结构分析与设计软件pm—sap))及美国csi公司的国际通用结构分析与设计软件etabs等三个程序进行整体计算，均采用抗震耦联分析并考虑偶然偏心。用satwe程序进行弹性动力时程分析。两塔楼的自振特性计算结果见表1和表2，三个软件的计算结果较接近，从侧面反映出结构模型和分析的正确性。结构的主要振型以平动为主，扭转为主的第1自振周期与平动为主的第1自振周期之比，宾馆塔楼分别为0．577、0．605、0．538，商务塔楼分别为0．593、0．603、0．529，均小于0．85，满足《高层建筑混凝土结构技术规程(jgj3—2002)》的要求。风荷载及多遇地震作用下的结构反应计算是结构设计中的重要内容，结构在风荷载及多遇地震作用下结构最大点位移和最大的层间位移角，可见在风荷载和地震作用下的层间位移角度均小于规范限值。两塔楼产生的最大屋面位移及最大层间位移角均是x方向风荷载作用下产生的，其中商务塔楼最屋面位移为93．44mm，最大层间位移角为1／1537；宾馆塔楼最大屋面位移为82．83mm，最大层间位移角为1／1743。最大层间位移角均小乎规范所规定的限值1／800。本工程塔楼属于风荷载为控制水平作用，在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下，楼层竖向构件最大水平位移和层间位移与其平均值之比小于规范限值，说明结构具有很好的抗扭刚度。

地震作用下楼层剪重比也是结构整体分析的重要内容，计算结果表明，两塔楼各层x方向和y方向的层间地震剪力均满足规范的最小剪重比要求。宾馆塔基底框架和核心筒的x方向倾覆力矩分别为2.83×105kn•m，6.55x105kn•m；y方向倾覆力矩分别为2.66×105kn•m，8.09×105kn•m。商务塔基底框架和核心筒的x方向倾覆力矩分别为3.21×105kn•m，6.08×105kn•m；y方向倾覆力矩分别为2.37×105kn•m，7.66×105kn•m。核心筒所占倾覆力矩沿结构高度始终大于总地震倾覆力矩的50％，表明对于整体结构安全度是可靠的。 ⑶弹性时程分析。按照《岩土工程勘察报告》确定的场地类别，采用《工程场地地震安全性评价报告》提供的地震动参数，选择两组实际地震记录波和一组人工模拟地震波进行弹性动力时程分析。每条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于cqc法求得的底部剪力的65％，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值大于cqc法求得的底部剪力的80％。cqc法计算结果基本包络三条时程曲线计算所得的平均值，仅在结构顶部的少数楼层地震剪力偏小，说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，设计时将对顶部楼层的地震剪力进行调整，满足对时程分析法的内力包络要求。除此以外，结构内力和配筋可直接按cqc法计算结果采用。 ⑷中震不屈服分析和动力弹塑性分析。如前所述，本工程平面及竖向结构特性变化较少，多遇地震下的计算结果也无超限情况出现，鉴于本工程建筑等级较高为确保结构安全可靠，我们依然对其进行了中震不屈服验算，使剪力墙、柱、连梁和框架梁等重要抗震构件在中震作用下不屈服。 通过中震不屈服计算和判断，两塔楼结构体系中竖向构件在中震作用下保持着良好的弹性性能，而水平构件特别是连梁则有部分进入屈服状态，通过调整连梁和框架梁的配筋和对部分连梁截面进行调整，才使所有主要水平构件不进入屈服状态。这从设计上保证了中震不屈服的落实，体现了地震中各构件的屈服顺序基本上是首先连梁屈服，其次有部分框架梁屈服，而竖向构件则未出现屈服情况。

超高层结构设计范文第5篇

广州某金融城项目位于广州市黄埔大道南侧、棠下涌东侧，包括A、B、C三座塔楼，其中A栋塔楼是集商业、办公为一体的超高层写字楼，其地下4层，地上69层，屋面高301.5m，幕墙高 320m，带3层高15m的裙房，地面以上建筑面积约14.2万m2。

图1 塔楼效果图

地下室主要功能为车库，裙楼部分为商业，塔楼1-3层为通高大堂，4层以上主要为行政办公。办公层层高4.2m，11、22、33、44、55层和67层为避难及设备层。

建筑外立面边线为曲线，4～11层整体轮廓向外倾斜，12层以上建筑整体外轮廓逐步内缩。平面近似矩形，但四角是圆弧，其中东南角圆弧较大，并随高度变化。为了适应建筑的外立面，外框柱沿高度向里或向外倾斜，倾斜角度从0.6度到2.9度不等。由于上部功能的需要，核心筒在高区楼层部分墙肢取消。

（a）中低区建筑平面图 （b）高区建筑平面图

图2 建筑标准层平面图

工程场地基岩为白垩系的泥质粉砂岩、粗砂岩。建筑场地类别为Ⅱ类，由于场地局部存在液化砂土层和淤泥质土类软弱土层，场地划分为对建筑抗震不利地段。由于设置了4层地下室，软弱土层已被挖除，底板下基本为中、微风化岩层。

2 设计参数

该工程设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，小震计算时反应谱的形状参数按规范，6S以后取平段，地震影响系数最大值按照安评取0.084；中大震：采用规范地震动参数进行中大震下的性能目标验算，6S以后取平段。

设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。通过与规范风荷载对比，风洞试验底部剪力及倾覆弯矩大于规范值，因此采用风洞试验的数据作为设计依据。

3 结构体系及结构布置

3.1 方案选型

结合建筑平面功能、立面造型、抗震（风）性能要求、施工周期以及造价合理等因素，本工程塔楼A的结构受力体系分别由外框架+伸臂桁架+腰桁架与核心筒组成，共同构成多道设防结构体系，提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度（详图3）。

重力荷载通过楼面水平构件传递给核心筒和外框柱，最终传递至基础。施工阶段不考虑伸臂桁架的作用，伸臂桁架采用后封闭施工；水平荷载产生的剪力和倾覆弯矩由外框架（包括伸臂桁架与腰桁架）与核心筒共同承担。其中剪力主要由核心筒承担，倾覆弯矩由外框架与核心筒共同承担。外框柱采用钢管混凝土柱，楼面梁采用钢梁，考虑施工方便快速，经济性合理，楼板采用钢筋桁架组合楼板。

地下室底板下微风化的基岩较浅；未来规划的地铁线距离地下室西侧约10米，地铁基坑比本地下室深约10米。综合考虑相关因素，本项目塔楼柱及裙楼柱采用以微风化岩层为持力层的人工挖孔桩，桩长约12米，持力层为微风化泥质粉砂岩/粗砂岩，其中裙楼桩径为1200mm，塔楼外框柱下基础为单柱单桩，桩径2800mm～3000mm，核心筒下根据荷载分布布桩，桩主要布置在墙下，桩径2600mm～3600mm；裙楼及纯地下室以均布式锚杆解决整体抗浮问题。

3.2 伸臂和腰桁架设置

为了分析各加强层对结构整体刚度的贡献，进行了伸臂桁架的敏感性计算分析，在不设置伸臂桁架时，结构的刚度和剪重比不满足规范要求。根据计算结果，伸臂对提高整体刚度效果显著。根据项目功能和实际情况，最终选择在33层、44层设置了X向伸臂和腰桁架，55层设置了腰桁架。此时，结构的刚重比和位移角均能较好地满足规范要求。

4 结构超限情况及抗震性能目标

该工程采用带加强层的钢管混凝土柱+钢梁框架-混凝土核心筒结构，结构高度301.5m，超过混和结构190m适用高度58%，且存在Ⅰ类扭转不规则、楼板局部不连续、刚度突变不规则项，同时存在框架柱倾斜（小于3°）和局部跨层柱。故需经抗震超限专项审查。具体判断如表3所示。

该工程为重点设防类建筑，采用结构抗震性能设计方法进行补充分析和论证，依据《高层建筑混凝土结构设计规程》确定抗震设防性能目标为C级相应的抗震性能水准。其中核心筒剪力墙、框架柱、伸臂及腰桁架为关键构件，要求腰桁架在中震下保持弹性，伸臂桁架按中震抗剪弹性，正截面不屈服进行复核。而伸臂层、腰桁架层楼板满足中震不屈服的性能目标。

5 结构计算与分析

本工程设计采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。设计中采用2个不同的力学模型的空间结构分析程序SATWE（简化墙元模型，2010新规范版）和ETABS软件（细分墙元模型，9.2.0中国规范版）进行风荷载和多遇地震作用下的弹性计算及中震不屈服计算；用SATWE进行小震下的弹性时程分析，与振型分解反应谱法进行比较；采用ABAQUS和SAUSAGE进行大震弹塑性动力时程分析，考察大震下的结构性能。

5.1 小震及风荷载作用下的弹性计算

按照安评 取0.084；特征周期按照0.35s取值；其余计算参数依据规范值。

根据计算结果，结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论，可以得出如下结论：

（1）两个不同计算内核的结构分析软件计算结果相近，说明模型及计算结果是合理且有效的，计算模型符合结构实际工作状况，可以作为工程设计的依据。（2）第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，地震有效质量系数均大于90%，所取振型数满足《高规》要求；（3）在考虑偶然偏心的地震作用下，X方向最大扭转位移比略大于1.2，但小于1.4，满足《高规》3.4.5条要求，属于I类扭转不规则。（4）经计算分析，风荷载在所有水平荷载中起控制作用，地震作用及风荷载作用下层间位移角均满足规范要求。（5）塔楼X、Y方向底层剪重比不满足抗规5.2.5条规定的最小剪重比的限值要求，根据广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.13通过调整地震剪力满足抗规要求，并使其基底剪力不小于底部剪力法算得的总剪力的85%。（6）伸臂层和腰桁架层下层（Y：33、44、55层）与伸臂层侧向刚度不满足《高规》第3.5.2条规定，需对本层地震剪力放大1.25倍。（7）腰桁架下层（X：44层，Y：55层）与腰桁架层抗剪承载力比分别为0.74、0.73，可通过提高剪力墙水平分布筋配筋率的方式进行调整。（8）刚重比小于2.7，但大于1.4，根据《高规》要求，需要考虑P-Δ效应对水平力作用下结构内力和位移的不利的影响。（9）风荷载、地震荷载作用下，基底未出现零应力区，整体塔楼满足整体稳定性要求。

5.2 小震弹性时程分析

该工程采用SATWE程序进行常遇地震下的弹性时程分析。选取II类场地上五组实际强震记录和两组人工模拟的场地波进行弹性时程分析。经分析得出如下结论：1） 底部大部分楼层时程反应平均值小于反应谱结果。X、Y向从45层到屋面层时程剪力平均值大于反应谱结果，放大系数最大分别为1.15、1.13。对顶部楼层按反应谱地震作用放大后对构件进行验算，确保结构计算的准确性和安全可靠。由于本工程水平作用风荷载起控制作用，施工图设计时根据风荷载和放大后地震力取包络；2） 时程波及反应谱计算的层间最大位移角满足规范限值1/500的要求；3） 位移曲线以弯曲型为主，无较大突变，结构侧向刚度较为均匀；位移角曲线在避难层（33层、44层、55层）略有突变，设计中结合性能化目标设计及大震下的弹塑性计算结果，对避难层及其相邻上下层采取适当构造加强措施，确保构件的承载力和良好的延性。

图6 层间位移角时程曲线对比

图7 楼层剪力时程曲线对比

5.3中震弹性和中震不屈服、大震不屈服验算

按选定的性能目标C对结构进行进行中震弹性、中震不屈服和大震不屈服的验算。计算结果表明，底部加强区的剪力墙、穿层柱和伸臂桁架、腰桁架等关键构件满足中震、大震下的性能目标；非底部加强区的剪力墙和普通柱满足中震抗剪弹性，抗弯不屈服和大震正截面可屈服，抗剪不发生脆性破坏的性能目标；框架梁和连梁满足中震抗剪不屈服的性能目标。

5.4动力弹塑性时程分析

选取2组天然波和1组人工波，采用ABAQUS和PKPM-SAUSAGE进行结构大震下的动力弹塑性时程分析。计算结果如表5。

通过ABAQUS和PKPM-SAUSAGE两个程序的计算，大震下结构最大层间位移角为1/151，最大剪重比在4.46%～5.62%之间，约为小震剪重比的4.5～5倍，体现了较好的耗能能力。分析结果表明，大震下剪力墙基本完好，仅局部出现轻度～中度的受压损坏；加强层腰桁架和伸臂均未出现塑性应变，剪力墙仅在44层加强层及上层个别应力集中位置出现轻度受压损坏；外框柱内混凝土未出现受压损坏及钢筋塑性应变，核心筒外钢梁均未出现塑性应变，仅核心筒内混凝土梁的钢筋出现轻微塑性应变。结构抗震性能良好，达到了预定的大震性能目标。

6 关键部位的结构分析

6.1伸臂桁架与核心筒剪力墙连接分析

第33层及44层是设置伸臂桁架的结构楼层。根据水平荷载作用下的分析，加强层剪力墙核心筒在伸臂桁架对对应位置处受伸臂影响，沿伸臂上下弦对应剪力墙相应出现较大拉压应力区，伸臂桁架的变形协调使得水平力作用下剪力墙筒体产生较大的内力以及局部应力集中现象，对应剪力墙内设置钢桁架形成封闭受力体系。伸臂桁架和核心筒连接的大样详图9。

图8 伸臂层大样图

图9 钢桁架与墙内型钢连接大样

对伸臂层剪力墙按照小震与100年风组合及中震弹性组合工况下进行受力分析。1.1倍50年风荷载组合与中震弹性组合作用下，沿伸臂上下弦对应剪力墙相应出现与拉压应力区，33层应力水平为-15Mpa～5Mpa，44层应力水平为-12Mpa～5Mpa。结构布置考虑伸臂上下弦贯通剪力墙，在伸臂与剪力墙连接处设置竖向型钢，并向上下均延伸一层，增加墙水平和竖向分布筋配筋率至0.8%，可以满足性能设计要求。1.1倍50年风荷载弹性组合与中震弹性组合作用下，33层及44层大部分剪力墙的剪应力水平在小于砼的抗拉强度计值；个别墙肢的最大剪应力约为2.0MPa，略高于砼的抗拉强度设计值，通过设置一定的墙体水平钢筋可满足性能设计要求。

6.2与斜柱相连框架梁的拉（压）弯分析

塔楼外框柱除局部楼层的个别柱外，均为斜柱，但斜度不大，在框架梁中产生的水平拉（压）力较小。保证框架梁的可靠性，设计中进行了100年风和小震组合及中震弹性组合下构件强度验算。底部柱子的轴力最大，且5～11层柱倾斜角度为2.9°，倾斜度相对较大。梁中水平压力最大值为5349kN，最大拉力值为448kN，根据拉弯和压弯构件验算的结果，最大应力均小于钢材强度设计值，可满足设计要求。

6.3楼板应力分析

为了考察加强层上下层楼层板在中震弹性作用下的平面内受力情况，我们采用壳单元模拟上述楼层的楼板，进行中震弹性作用下的楼板平面内应力分析。限于篇幅，列举45层楼板应力如图10所示。第33及44层加强层上下层楼板在中震作用下大部分楼板平面内分布力达到了2.5～3MPa，局部应力集中区域更是达到了5MPa左右。第55层楼板在中震作用下大部分楼板平面内分布力水平较低，仅在墙边及柱边位置处出现应力集中，最大拉应力约2.5MPa。56层楼板应力相对较大，相当一部分区域拉应力达到了2.5MPa，墙边及柱边应力集中区域达到了4MPa左右，设计时采用水平力作用下产生的楼板平面内应力叠加竖向荷载作用下楼板平面外受弯产生的应力进行配筋。

图10 45层X向（左）和Y向（右）中震作用下楼板应力S11

7 本工程的主要特点及加强措施

本工程为乙类建筑，结构安全等级为二级，抗震措施由7度提高至8度，抗震等级按特一级。设计过程中，从计算分析、结构布置、结构抗震概念设计及构造等方面采取措施，确保结构安全可靠，经济合理。

1、剪力墙轴压比严格控制≤0.5。对于本工程，由于底部控制墙厚的要求，原混凝土剪力墙局部轴压比超过0.5。采用在剪力墙中设置型钢来控制轴压比。根据广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》12.4.12条，计算公式为： ，

N为重力荷载代表值作用下轴压力设计值。通过设置型钢，控制了轴压比及截面，保证了建筑功能的要求。

2、根据性能目标计算要求，底部加强区（8层及以下）核心筒墙身水平及竖向分布筋配筋率提高至0.8%；核心筒四个角部的约束边缘构件竖向配筋率增至2%，配箍特征值比规范构造要求增大50%。

3、伸臂桁架的上下弦延伸入筒体，对应剪力墙内设置斜撑形成封闭受力体系；伸臂桁架与核心筒剪力墙连接处设置型钢混凝土约束边缘构件，型钢柱向相邻上下层延伸各一层。实现节点传力的可靠性及抗震延性，满足的性能目标要求。

4、对剪力墙在39层收进导致竖向变形差较大而引起的墙抗剪承载力不足的情况，在37、38层部分墙中配置抗剪钢板，以提高其抗剪承载力；并将收进的上两层即39、40层边墙竖向、水平配筋率提高至0.6%。

5、针对加强层处刚度突变引起加强层及其上下层应力集中的情况，并根据动力弹塑性分析结果的建议，将33、44加强层及其上下各一层墙肢竖向、水平配筋率提高至0.8%。

6、结合相应设防水准下关键楼层楼板的有限元分析结果，对板厚和配筋相应加强，以满足性能目标要求。

通过以上加强措施，经过计算复核，本工程结构抗震性能目标达到C级的要求。

4 结论