探讨某超高层结构稳定性设计

探讨某超高层结构稳定性设计

何平胜

广东建筑艺术设计院有限公司

摘要：近年来，我国的城市化进程发展迅速，建筑结构的形式日新月异，超高层建筑越来越多。在超高层建筑的设计中，结构设计十分重要，影响着整个建筑的稳定性和安全性等，进而设计出既经济实用又安全的结构。对超高层建筑作了具体的结构分析，重点进行了结构的整体稳定性分析。

关键词：高层建筑结构稳定性、抗风抗震、工程案例。

一、超高层建筑稳定性

超高层建筑由于楼层较高，楼层遇风会出现正常的摆动在顶层会设置一个自动配重的装置，主要用于对地震的预防。这个配重装置的学名叫做风阻尼器(tunedmassdump-er)。这是一个几百吨重的悬挂在楼顶部的大铁球，它调整了房屋的共振频率，使房屋在强风，地震情况下减少震动幅度，调整振动频率避免共振。房屋在大风中引起的晃动，包括建造过程中，是主要靠地基来保证建筑的整体完整性的。超大型建筑的保险系数是很高的，比一般小高层之类的要稳得多。另外在结构较高时，风阻尼器的安装，会减少震动幅度，也是为了减少人在内部活动的眩晕感，对于建造好的建筑结构如何做抗震与抗风设计的。建造过程中，并不是抗震的最不利状态。所以在设计过程中，有一个原则或者方法:对最不利状态进行设计。所谓最不利，就是各种情况下，对结构物危害最大的情况。一个结构物，受力状态多种多样，设计者不可能对每一个状态都进行计算，只能选择最不利的状况进行设计计算。最不利状况没有问题了，那么其他状况也就自然满足。值得指出的是，与最优化问题类似，通常也没法找到最不利(对应全局最优)的状况，只能找到若干个次不利(对应局部最优)的状况，以此作为依据进行结构稳定设计。回到这个问题本身，在建造过程中，如果将施工辅助设施牢固的固定在建筑物上，这时候如果发生地震，似乎并不是结构的最不利状况。因为地震荷载与几个因素有关，结构物的质量，结构物的刚度，结构物的高度。在建筑物达到最高处，建造完毕时，此时结构物的质量最大，刚度最小，高度最高。这时候，似乎才是结构物的最不利状况。这时候，只要抗震的性能得到了满足，那么建造过程中的抗震性能就自然满足了

高层建筑的抗风抗震手段

竖向重力荷载主要针对的是相对较低的多层建筑，其对这些建筑起着主导作用。对于高层建筑来说，如何抵抗水平荷载成为最重要的。风和地震是高层建筑的两种主要水平荷载。两者之间有相似之处和不同之处。确切地说，应该叫“抗风抗震”，而不是“防风抗震”。首先要建立水平加强层，加强层的设置更倾向于设置水平伸臂构件，不仅增强了结构整体的抗侧刚度，同时有效利用了建筑的设备层或避难层，优点显著。而水平伸臂构件的设置形式主要有钢筋混凝土实腹梁、钢筋混凝土空腹梁和钢筋混凝土桁架等，

图表1所示。不同形式的伸臂构件加强层所产生的效果不同。现通过算例说明：算例为 20 层的框架-核心筒结构，构件尺寸沿高度不变，为便于比较，加强层均置于顶层。外围框架柱 1000×1000，框架梁为 250×600，加强层周边框架梁为 250×2000，核心筒墙厚 250，刚臂尺寸长 9000，层高 3000；

结构所加荷载为普通楼面荷载，风载和地震荷载参数设置均按照广东地区设置。从表 2 可知，因为实腹式梁的刚度增加最多，直接导致在水平地震作用下剪力突变程度最大，相比于桁架式梁的层间剪力增加了约 3 倍。若在高层框架-核心筒结构中采用实腹式梁作为水平伸臂加强层，从抗震概念设计上来说，各种地震反应，如内力、位移、加速度均会在加强层位置处产生突变的情况，使得整个结构偏于不安全，这在结构设计中是不合理的。因此，当设置水平加强层的时候，需要控制其刚度的增加，采用有限刚度的设计方法。而在实腹梁、空腹梁效率、尽可能降低人工成本、确保建筑质量。

三、工程案例

1.工程案例概况：

广东惠州益华地块超高层项目，是酒店式公寓、高端商业汇集的大型商业综合体。其中，A，B两栋塔楼建筑高度 为 263. 80m，结 构 高 度 为249.65m( 至主体结构屋面) ，地上 55 层，典型层高为 4. 5m。底部裙楼 4 层，结构高度为 21. 3m，与主楼局部连接。地下室共 4 层，地下 4 层底板板面标高为－16. 00m，

A 栋塔楼平面呈工字形，建筑平面尺寸为53. 6m×32. 6m，结构高宽比为 7. 66。核心筒尺寸为22. 8m×14. 2m，核心筒高宽比为 17. 58，超过高规限值较多。结构安全等级为二级，设计使用年限为 50年，Ⅱ类场地，抗震设防烈度为 6 度( 0. 05g) ，抗震设防类别为丙类。基本风压为 0. 35kN /m2，地面粗糙度类别为 C 类。结构采用 YJK v2016 计算。主要需要对结构整体稳定性计算进行研究。影响结构刚重比的几个主要因素进行了分析。

2.地下室层数对刚重比的影响

通过高规对于结构刚重比的公式推导可以看出，刚重比计算的对象应该是针对立面规则的单塔结构，并且应该去掉地下室及顶部附属结构，并将附属结构的重量作为荷载输入。但是，规范刚重比手算公式的推导过程过于简化，与实际情况差异较大。对于超高层结构，整体稳定性为重要指标，应考虑这些不利因素。分别对不同地下室层数进行分析，得出结构刚重比数据表。表中可以看出，带地下室计算对结构刚重比影响非常明显。

3.地下室侧向土的水平抗力系数对刚重比的影响

结构整体稳定性与结构弹性等效侧向刚度有关，而弹性等效侧向刚度又和结构顶点位移相关。地下室周边土层水平抗力系数对地下室侧向约束有影响，因此，需要对比地下室周边土层水平抗力系数m 值对刚重比的影响，结果下面表。在风荷载作用下，随着 m 值的增大，刚重比略有增大; 在地震作用下，随着 m 值的增大，刚重比略有减小，但总的影响不明显

4.地下室嵌固层刚度比对刚重比的影响

规范按锚固在地面的竖向悬臂受弯构件折算弹性等效侧向刚度，假定嵌固部位无转角。但实际上不管嵌固层的刚度多大，都会在嵌固部位形成转角位移，见图 4。同时，程序计算时还考虑地下室周边土体产生的水平位移。虑嵌固端上下层刚度比的不同，对模型进行计算，相应度，假定嵌固部位无转角。但实际上不管嵌固层的刚度多大，都会在嵌固部位形成转角位移，见图 4。同时，程序计算时还考虑地下室周边土体产生的水平位移。考虑嵌固端上下层刚度比的不同，对模型进行计算，相应的结构刚重比见图 5。从图中可以看出，嵌固端上下层刚度比对结构刚重比的影响比较明显。当嵌固端上下层刚度比小于 2. 0 时，刚重比下降趋势加快。

5.不同嵌固部位对刚重比的影响

若场地周边有高差，或因地下室顶板局部开大洞，结构嵌固部位在地下 1 层楼面时，需要考虑嵌固部位下移对刚重比的影响( 表 4) 。由表 4 可以看出，嵌固层下移对结构整体稳定性影响较大

3.屋顶构架

屋顶构架高度为 14. 15m，在风荷载作用下，与无屋顶构架相比，结构顶点位移将增加，结构弹性等效侧向刚度降低，导致刚重比下降。通过表 5 对比计算可知，屋顶构架的存在增大了风荷载和地震作用，导致刚重比降低，且其对风荷载作用下的刚重比影响更明显。

4.重力荷载对刚重比的影响

重力荷载的增加会明显降低结构刚重比。本工程为高层LOFT 公寓，设计时考虑住户改造，可能导致楼面荷载增加，因此需要分析荷载增加对刚重比的影响。表6 对比了不同楼面活荷载情况下的结构刚重比。通过分析可以得知，刚重比对楼面活荷载变化非常敏感，随着活荷载增加，刚重比随即降低

四、结束语：加强超高层结构整体稳定性要求，不仅是对建筑领域的负责，更是对我国整体建设奠定了良好的基础。一个高层建筑的抗震抗风设计，包括了方案阶段的体型优化、初步设计阶段的建模计算、施工图阶段的具体落实。过程非常冗长，也非常复杂。通过对超高层建筑结构稳定性设计的简单分析，促进当前建筑工程的稳定发展。

五、参考文献：

［1］苗杰,王飞朋.太原湖滨广场超高层结构基础设计[J].山西建筑,2015,

［2］王国安. 高层建筑结构整体稳定性研究［J］． 建筑结构， 2012，

［3］武云鹏，韩博，郭峰，等． 结构刚重比算法研究及软件实现［J］． 建筑结构， 2015，

［4］沈蒲生．带加强层与错层高层结构设计与施工［M］．北京: 机械工业出版社， 2009

［5］高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2011．

［6］袁康,白宏思,李英民. 超高层建筑结构整体稳定性分析方法研究[J].

［7］沈蒲生．高层混合结构设计与施工［M］．北京: 机械工业出版社， 2008．