建筑结构超限设计分析和措施探讨

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：

【摘要】：按我国的最大适用高度，从室外地面算起，凡超过了B级高度建筑180m的最大适用高度均被称为高层超限结构设计。本文针对建筑高层超限设计进行具体分析以及提出相应的措施与大家共同探讨。

【关键词】：建筑结构超限设计措施探讨

一、高层建筑超限结构的特点分析

由于根据超限建筑物本身进行构建有利的特点而言，一般采用常规的钢筋混凝土结构就能解决问题，就不需采取钢结构或者钢－混凝土组合结构等在超高层常用的类型。但由于采用钢筋混凝土，结构自重较大，周期较长的特点，一般建筑应用中根据结构本身的特点。可自行选择采用何种结构。

另外，根据工程自身的指标，如果采用框架——核心筒结构体系即可满足刚度和受力要求，就不需采取加强层、蒙皮或巨型支撑等特殊的手段。在常遇地震和风载作用下，最大层间位移角为Y向的设计时要大于规范限值（1/500）。

如果采用核心筒结构体系，应避免减少刚度偏心，设计上注意核心筒设计的刚度要求；整体偏向左侧，为提高结构抗扭刚度，在不影响建筑功能的情况下，整个框架梁的均值应加高至900。为尽量减少刚度差异过大而给结构抗震带来的不利影响，设计时应考虑满足对刚度指标的需求。

二、高层建筑超限设计分析的主体因素

1、基于性能的抗震设计方法，是否能够满足抗震性能目标

小震作用一般采用规范规定的振型分解反应谱法或者弹性动力时程法对结构进行计算分析，中震一般采用弹性计算并采用结构构件的屈服判断分析法进行判断控制，大震采用静力弹塑性的Pushover推覆分析及动力弹塑性分析分别进行计算，以判断结构是否达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”各阶段相应的抗震目标。

2、考虑可能的风载作用控制情况，并验算风作用下舒适度

虽然风荷载作用并不属于抗震超限审查的必须项目，但基于高层超限结构工程的经验来看，由于高度较大的超高层周期较大，往往由风而不是地震起控制作用，故根据建筑结构周期的特点建议对超限设计分析时，加入风载的分析内容。具体分析指标时要分析其它一些受相邻超高层建筑物风扰影响的超高层建筑的风洞试验的结果，如根据超限结构工程可能会发生横风作用大于顺风而起控制的情况，应结合工程超限结构及体型特点，预估即使由横向风作用控制，比对应方向顺风作用的增大值会不会超出，在超限计算中，应对两个方向的风压值分别乘以1.3的放大系数进行相应的位移和强度计算，以此来考虑可能起控制的横向风作用和最佳舒适度。

3、根据高层超限结构构件和刚度需求分析温差效应

由于高层竖向构件筒体、柱截面和刚度较大，不可避免要对现浇混凝土楼盖梁板沿水平方向的温差变形产生较大的约束，从而各自产生相应的约束内力，称为水平温差效应。实际设计中主要考虑由楼屋盖中面在施工和使用时与混凝土终凝时温度的差值对结构所引起的附加内力，本工程取±15℃计算。

4、针对超限分析要考虑混凝土徐变收缩对结构的影响

徐变收缩是混凝土固有的特性，钢结构则不存在徐变收缩问题，混凝土随着作用在其上的压应力时间持续，将持续发生变形－徐变变形。一般来看。超限高层建筑由于竖向构件高度大，其徐变变形累计大，并通常伴随着收缩变形同时发生，这样两种变形的叠加，将使整个超高层建筑竖向构件后期非荷载直接引起的塑性变形达到一个量级，会接近甚至超过荷载直接引起的弹性变形而不容忽视，可能会对部分结构构件和非结构构件造成较大的不利影响，因此实践工程设计时要对混凝土徐变收缩的影响进行量化分析，评估其不利影响的程度，以判断是否需采取相应对策，以为建筑结构和非结构构件提供可靠的质量保证。

如在结构建筑钢管柱压应力水平高、内部筒体压应力水平低，弹性压缩变形为柱大、内筒处小时，连接钢管柱与混凝土内筒间的框架梁因两者的弹性压缩变形差较大而产生显著的附加内力，达到控制梁端配筋的程度，多数会出现严重超筋。因此有必要考虑采取有效可靠的施工措施，以大部分消除因内外竖向构件压缩变形差对连接框架梁产生的附加内力，使框架梁的钢筋充分贡献在抵抗荷载的作用中而不是浪费在硬抗非荷载作用产生的附加内力中。

三、高层结构超限设计中主体问题的解决措施

采用基于性能的抗震设计方法，对结构是否达到小、中、大三个阶段的抗震性能目标进行量化分析判断，在考虑竖向荷载、风和小震的作用时，采用规范方法进行计算和设计，构件基本不超筋，则可基本保证结构构件处于弹性阶段，实现小震作用时结构“处于弹性，结构完好、无损伤”的第一阶段抗震性能水准。

对中震作用，采用弹性计算，选用中震的地震反应谱曲线，计算中荷载及材料的分项系数、抗震承载力调整系数均取1.0，不考虑地震作用的内力放大调整，并取材料的强度为标准值，当这时构件的地震作用组合效应不大于按强度标准值计算的抗震承载力，则可判断构件为中震不屈服。

竖向构件及与外框柱及内筒剪力墙面内相交的主要框架梁均不出现屈服，梁均不出现受剪屈服，在小震及屈服判别地震作用1时，所有梁不出现受弯屈服；在判别地震作用2及中震时，核心筒连梁仅出现程度较轻的屈服（主要表现为面筋配筋率略>2.5%），可判断为轻微的损伤；另，右侧的边框架梁在中震下也出现轻微屈服，经将梁宽度适当加大后，即可满足该梁中震不屈服。实际设计时，将按小震和中震两者的较大值对构件进行配筋，这样则能实现中震作用下结构“重要构件不屈服，其它构件部分允许受弯屈服，可修复使用”的第二阶段抗震性能水准。

对大震作用，则可以采用相应软件对结构进行静力弹塑性分析（Pushover）及用接口程序BEPTA进行模型的前处理和准备工作后通过分析软件对结构进行动力弹塑性分析。按弹塑性程序计算所反映的塑性发展程度来对构件以至整个结构进行相应的性能评价。

针对高层超限建筑结构特点，对工程进行超限设计时，除超限审查本身所要求的抗震方面的内容外，还应对风载作用、温差效应、混凝土徐变收缩的影响、解决钢管柱与混凝土内筒间竖向压缩变形差对框架梁产生过大附加内力的对应措施等进行分析，虽然这些因素并非抗震超限审查的必须内容，但确都属于高层超限结构能否真正实施所必须分析和解决的问题。

四、总结

当进行采用软件在施工模拟进行分析中，应综合考虑在施工阶段由主体结构去承受后加的恒载、活载、风载及地震等作用，计算中同时考虑混凝土与钢管混凝土徐变收缩的等影响的诸多因素，才能确保满足高层超限结构设计的要求。

【参考文献】：

[1]兰守奇.某超限高层建筑的抗震设计审查J. 低温建筑技术,2011,(7).

[2]王述超, 张行, 叶志雄, 李黎.超限高层建筑地震作用下的动力稳定性分析J.振动与冲击,2009,(4).

[3]杨琦, 丛北华.超限高层建筑灭火系统的技术经济分析J.中国给水排水,2011,(20).