超高层建筑结构设计范文篇1

关键词：超高层建筑结构设计技术措施问题探讨

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。

三主要技术及措施

⑴空中连廊支承结构抗震加强措施。连廊弱连接支座留足连廊两端活动空间确保不出现下坠，采用抗拉铰接万向支座，并用侧面限位器固定，确保水平荷载直接传递到塔楼主结构。支承连廊的框架柱抗震等级提高为一级，以确保安全性。

⑵连廊及顶部塔楼结构抗震加强措施。连廊采用空间钢结构桁架，钢筋混凝土楼板的形式，并进行专门设计。顶部莲花座高度较高且外形复杂，采用将芯筒适度上升，外复钢结构形成莲花座外形的结构设计，能极大地减轻自重保证结构强度，从而有效克服鞭梢效应，且施工方便。

⑶平面扭转不规则抗震加强措施。主要采取调整抗侧力构件的布置，使质心与刚心尽量重合，并加大结构的扭转刚度，以减小结构扭转效应，使结构各楼层的位移比不大于1.4。例如由于塔楼平面存在局部凸出圆弧，部分楼层的x向最大水平位移与平均层间位移比值超B级高度的1.4，最大达到1.47，最终通过适当加宽圆弧内柱子x向柱宽，并加强两柱联系梁刚度得以解决。

⑷侧向刚度不规则抗震加强措施。适当加大立面变化处楼层的板厚及配筋，并采用双层双向配筋，加强与立面变化楼层相交的竖向构件的配筋，如25层局部凸出圆弧结束，竖向构件截面变化则避开25层，并适当加强24～26层竖向构件配筋。

四结束

超高层建筑结构设计范文

关键词:超限高层;剪力墙结构;抗震性能化设计;静力弹塑性

1工程概况

该工程位于泉州市鲤城区笋江路，总建筑面积约60万m2;其中住宅2－1#楼为地下2层，地上42层的超高层建筑，首层层高为5.1m，其余各层层高均为3.15m，建筑总高度为134.25m，项目总用地面积约13万m2。该项目设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级。结构抗震设防类别为丙类，设防烈度7度(0.15g)，设计地震分组为第三组，Ⅱ类场地，场地特征周期根据安评报告取0.50s;地面粗糙类别为B类，基本风压取为0.7kN/m2。

2地基基础设计

根据《岩土工程详细勘查报告书》，针对本场地特点，主楼采用三岔双向挤扩灌注桩(钻孔灌注桩)，桩基持力层为强风化花岗岩层，桩身混凝土强度等级为C40，桩基直径为1000mm，单桩竖向抗压承载力特征值为8900kN，有效桩长为22m～33m，设置2个承力盘，承力盘直径为1800mm。该工程桩基采用气举反循环清孔施工工艺，以确保孔底沉渣的厚度满足设计要求。纯地下室基础采用机械接头的PHC500－125－AB预应力管桩，桩端持力层为卵石层，单桩竖向承载力特征值为1700kN，单桩竖向抗拔承载力为140kN，PHC管桩与底板上布置的多重防腐型扩体抗浮锚杆共同组成抗浮体系。

3上部主体结构设计

3.1结构体系

主楼采用钢筋混凝土剪力墙结构，地下室顶板厚度不小于200mm，经初步估算，地下一层主楼相关范围的楼层侧移刚度(剪切刚度)大于地上一层的2倍，满足地下室顶板对上部主体结构的嵌固要求。结构平面布置如图1所示。为配合业主对户型的使用功能需求，从五层到四十层分为3个标准层，每个标准层都有跃层，楼板开洞位置不同，形成较多的楼板连接薄弱处。结构设计时，竖向构件的平面布置根据尽量简单、对称，且X、Y两个方向的侧向刚度不至于相差过大的原则，充分利用楼梯间、电梯间、分户墙和建筑周边角部房间布置落地剪力墙，剪力墙厚度自下而上采用300mm、250mm、200mm均匀变化。竖向构件的混凝土强度等级由低区到高区分别采用C50、C45、C40、C35和C30，同时加强大开洞房间周边连接薄弱处楼板的厚度，以保证水平力的有效传递。

3.2结构超限情况及性能目标

该项目结构总高度134.25m，在A级高度限值120m和B级高度限值150m之间，属于B级高度超限高层(抗震等级为一级)，存在以下不规则项:①扭转不规则———在规定水平力作用下，考虑偶然偏心的影响，个别楼层位移比＞1.2，但＜1.4;②凹凸不规则———l/Bmax=12.97/25.77=0.50＞0.35。在竖向规则性方面———该项目竖向抗侧力构件上下连续贯通，相邻楼层的侧向刚度变化均匀，无过大的外挑和收进，质量沿高度均匀分布。针对项目超限情况，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定和该项目抗震设防专项审查意见的要求，对结构受力的关键部位及构件按C级性能目标进行抗震性能设计［1］，表1所示。

4主体结构计算分析

4.1振型分解反应谱法计算结果分析

该项目采用中国建筑科学研究院PKPM软件中的SATWE模块进行结构整体模型计算分析，计算中考虑了扭转耦联影响，并采用MIDAS软件进行补充计算校核，计算结果如表2所示。分析主要计算结果，结构底部5层在X向的最小剪重比不满足规范限值2.40%，但大于2.04%。按规范要求，乘以放大系数调整底部总剪力和各楼层的水平地震剪力，使之满足剪重比大于规范限值2.40%的要求［2］。结构整体稳定验算满足要求。水平荷载下位移角满足规范要求，结构刚度较好。

4.2补充计算结果分析

4.2.1弹性时程分析为校核振型分解反应谱法的计算结果，根据规范要求，位于设防烈度7度地区的建筑总高度超过100m时，应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算［3］。根据业主提供的地震安评报告，该项目进行弹性时程分析时，地面运动最大加速度取值为55gal，阻尼比取0.05。所选用的地震波包括5条天然波和2条人工波，每组地震波包含X和Y两个方向的分量，地震波的波形除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应满足规范对底部剪力的相关要求。将选出的7组小震加速度记录作为弹性时程分析的地震波输入，采用PMSAP程序计算的结果如图2～图3所示。计算结果表明:每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且小于135%，弹性时程分析法所选取的地震波满足规范要求;多条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%［4］。因此，该项目直接取振型分解反应谱法的计算结果设计即可，无需调整楼层构件的内力及配筋。4.2.2静力弹塑性分析(pushover)为确保主体结构在大震作用下具有足够的延性和抗倒塌能力，该项目采用静力弹塑性(pushover)分析法验算了罕遇地震作用下的楼层位移，计算结果表明，该项目X向和Y向层间弹塑性位移角在罕遇地震作用下分别为1/121和1/154，均满足规范对剪力墙结构层间弹塑性位移角限值的规定［2］。最不利方向(X向)的结构能力－需求曲线如图4所示。分析结果表明:性能点加载步结构的最大层间位移角出现在计算模型的二十四层～二十八层，此附近楼层的变形相对较大，随着水平推覆荷载的进一步加大，结构的变形由初期的弹性阶段逐步进入塑性发展阶段。施工图设计时对相应楼层的相关构件加强抗震构造措施设计，增强主体结构的整体性，有效控制结构的最大弹塑性位移［5］。4.2.3楼板应力分析该项目楼板开洞较多且不规则，在结构平面布置的中部存在电梯井、楼梯间和局部挑空区域，形成较多的楼板连接薄弱处，为确保水平剪力能够通过楼盖结构有效传递到竖向构件上，该项目对结构平面上连接薄弱的区域采取加厚楼板的措施，并利用MIDAS有限元软件复核位移最大楼层和开洞最大楼层的楼板应力。经验算，在设防烈度地震作用下，结构层间位移角最大的第二十八层楼板的最大主拉应力为1.16MPa，结构平面开洞最大的第二十九层楼板的最大主拉应力达到1.52MPa，均未超过C30混凝土的抗拉强度标准值(2.01MPa)，可满足设防烈度地震作用下楼板不开裂的设计要求。因此，经过采取加厚连接薄弱区域楼板厚度的措施后，水平剪力的传递路径可以得到有效保证。

4.3抗震加强措施

经过对比分析，该项目在后期施工图设计时，为保证结构安全，另外采取了以下加强措施:(1)中震作用下，将出现小偏心受拉的竖向构件的抗震等级提高一级(按特一级构造)。(2)楼梯间、电梯间前室，大开洞房间周边连接薄弱区域进行加强，加强区板厚采用140mm，楼板配筋采用双层双向布置，且每层每方向的配筋率不小于0.25%。(3)严格控制竖向构件的轴压比，适当加强位移角较大楼层的构件配筋，以提高整体结构的抗震性能。

5结语

本文对超高层剪力墙结构住宅楼的设计方法进行了总结。在设计过程中，根据规范判断项目在扭转不规则、凹凸不规则方面的超限情况，采用振型分解反应谱法对两个软件的计算模型在多遇地震作用下的计算结果进行对比分析，采用弹性时程分析法补充计算验证，同时采用静力弹塑性分析法(Pushover)计算了罕遇地震作用下的层间弹塑性位移角，还应用MIDAS软件对层间位移角最大和开洞最多楼层的楼板进行应力分析，并结合补充计算的结果对抗震构造措施进行了加强。因此，该项目所采用的结构体系具有良好的抗震性能，满足规范相关要求。

参考文献

［1］建质［2015］67号．超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点［S］．住房和城乡建设部，2015．

［2］JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

［3］GB50011－2010建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［4］朱炳寅．高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3－2010［M］．北京:中国建筑工业出版社，2013:140－141．

超高层建筑结构设计范文

【关键词】隔震建筑物；结构设计；超高层

地震对于人类社会的发展而言危害极大，同时也是一个危害面积广的自然灾害。自新世纪以来，因为地震引发的国民经济损失不可估量，人员伤亡更是数以万计。远的不说，就08年至今，无论是汶川地震、玉树地震还是雅安地震，都给我们留下刻骨铭心的伤害，也给中华民族带来了重大灾难。但是就这些地震所造成的损失进行分析，大多数的损失都是因为建筑物倒塌而引发的，因此也提起了人们对建筑物抗震设计观念，使得人们越来越多的关注建筑物的抗震设计。隔震建筑物结构便是基于这种时代背景下产生的，是当前建筑业内人士研究的焦点之一。

一、隔震建筑物概述

地震是人类社会上最为突出的自然灾害之一，也是影响最大、破坏性极强的自在灾害。我国地处环太平洋地震带和亚欧地震带之间，受到太平洋板块和印度洋板块的挤压，使得地震问题十分严重。自上个世纪至今，我国就6级以上的地震共发生了近千次，遍布国内各个省市之间，给社会经济发展和人民生活造成了严重的威胁。因此，在这里我们有必要对建筑物抗震问题进行分析，提出有关工作要点。

1、建筑物抗震分析

由于我国地理位置的原因，使得我国每年都会发生许许多多的地震问题，其中发生6级以上地震的机会也较大。因此，在工程施工建设中，做好建筑物的抗震、防震、耐震工作就显得至关重要，是一个深受业内人士研究和探讨的话题之一。在传统的建筑结构之中，一般都是采用耐震、抗震设计来对建筑结构进行优化和规范，从而强化建筑物整体性、提高建筑结构功能，避免因为抗震和隔震设计问题而引起社会经济损失。自从08年以后，我国有关工作单位和企业逐渐将工作重点置放在抗震和隔震设计当中，并将两种体系作为主要的研究重点。

2、耐震建筑物分析

耐震建筑物是基于建筑物耐震设计的基础上形成的一个建筑新结构，它是建筑物耐震设计的基本原则，是通过建筑物结构主体在中小度地震发生之后的弹性限度、弹性模量基础上采用的一种塑性变形模式，它在工作中主要是强调建筑物的整体性、稳定性以及柔韧性。自从汶川地震发生之后，建筑业内认识对于建筑物的抗震、隔震设计要求越来越严格，逐渐提出了以隔震、消能为主的设计新策略和新方法，并将其深入的应用到实际工程项目当中。这两种耐震设计技术在当前许多发达国家被广泛的有那个用，而在我国受到基本国情和技术的影响仍然存在着一定的缺陷。为此我们在工作中有必要进行更深层次的探讨和研究。

3、隔震建筑物

隔震建筑物在目前的建筑工程设计中，主要是通过在建筑物表面和基层设置一个隔震曾，该隔震层是通过侧向筋很低的隔震组建构成的，从而使得整个建筑结构整体周期大幅度的延长和增加，从而使得在地震发生之后，它可以及时的降低地震结构的作用力，使得地震力度逐渐缩小。然而在设计的过程中，因为周期增加之后，建筑结构造成的位移也相对来说增加了，因此在设计的过程中还需要我们设置一定的消能组件，从而使得整个体系都能够形成一套综合性、系统化的工作模式和管理措施，从而降低位移量，确保建筑结构的整体性和完整性。就目前的建筑工程设计而言，隔震建筑物在设计中还存在着另外一个特殊性，那就是因为隔震层相对于其他建筑结构而言有着一定的位移和柔软性，因此当地震发生水平作用力的时候，隔震层的相对变化和变为影响也较大，而上部结构的整体变化相对来说较小，因此，在设计的过程中有时候是一个很简单的设计模式和设计流程。

二、超高层隔震建筑物设计要点

1.世界各国隔震建筑物发展现况

各国推展隔震建筑物数量不一，不过有一共通点，即大地震来临，往往成为催生者。如美国北岭地震，日本阪神地震，中国汶川地震、玉树地震、雅安地震等，虽然地震造成工程产官学界痛定思痛之痛楚，但经由其它建筑物损坏情形，终于肯定隔震建筑物在地震中的优越性。

2.耐震建筑与隔震建筑造价比较

由统计数据显示，隔震建筑物与耐震建筑物造价比较，建筑物高度在25m以下，隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之105%～109%；建筑物高度在25m～31m，隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之102%～104%；建筑物高度在31m以上，隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之99%～103%。

另比较隔震建筑物结构造价比较，办公室隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之18%，旅馆建筑隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之13%，医院隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之8%。显示越重要之建筑物，采用隔震建筑物设计，结构费用相对最经济。

3.隔震建筑新趋势

高层与超高层隔震建筑物，目前日本最高隔震建筑物为位于大阪城之西梅田超高层计划，地下1层，地上50层，屋突2层，基础隔震，楼高177.4m，高宽比5.8：1，隔震型式有滑动支承，积层橡胶垫，及U型钢板消能器。

4.超高层隔震建筑物设计技术

超高层隔震建筑物设计技术主要有下列关键因素：

4.1长周期建筑物之隔震效果

隔震建筑物之最优越抗震效果即在延长建筑物基本振动周期，但高层建筑物基本振动周期往往超过3秒，隔震后即使将建筑物基本振动周期拉长至5秒以上，由反应谱显示，两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应，则有其贡献。

4.2倾覆作用造成隔震组件受拉力

隔震组件设计时必须考虑拉力作用，因此拉力试验成为规范修订之首要任务。

4.3风力作用

隔震层设计时必须考虑地震力作用，但是小地震或风力作用，隔震组件是否发挥功能？仍有待深入探讨。

5.隔震应用的注意事项：

1）隔震实际上会使原有结构的固有周期演唱，在下列情况下不宜采用隔震设计：

①基础土层不稳定；

②下部结构变性大，原有结构的固有周期比较长；

③位于软弱场地，延长周期可能引起共振；

④制作中出现负反力；

2）隔震装置必须具有足够的初始刚度，这样能满足正常使用要求。当强震发生时，装置柔性消震，体系进入消能状态。

3）隔震装置能使结构在基础面上柔性滑动，在地震来时这样必然会产生很大的位移。为减低结构的位移反应，隔震装置应提供较大的阻尼，具有较大的消能能力。

三、结论

目前，国内有关超高层隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺，已完成之研究报告仍有待产、官、学之意见补充，使研究成果得以展现，鉴于隔震建筑日趋普及，隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作，已刻不容缓，如何有效结合产、官、学三方，尽早订定完善之超高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测，实为当务之急。

参考文献：