本站原创摘 要：严格计算分析建筑结构的受力性能,保证建筑的承载力和稳定性满足要求能提高建筑的安全性能.本文结合某超高层建筑为例展开讨论,说明了该工程的概况,阐述了塔楼结构设计特点及抗震性能目标,结合幕墙结构、结构计算分析和结构大震弹塑性分析表明了建筑整体的结构和结构构件的刚度、承载力和稳定性均达到了预定的抗震性能要求,能为类似的工程提供经验.
关 键 词：超高层结构；钢管混凝土柱；钢筋混凝土核心筒；伸臂桁架；桁架转换；拉索式门式刚架；性能目标
随着我国经济的不断增长,城市化进程进一步加快,城市规模扩大使得高层和超高层建筑越来越多,人们对建筑的抗震性能要求也更加地严格.但是一些超高层建筑由于结构不合理导致了抗震性能不符合要求,影响了建筑的安全性.如何对建筑的结构进行计算分析来保证其抗震性能符合要求成为了人们关心的问题.下面就结合实例对此进行讨论分析.
1工程概况
1.1项目概况
本工程总建筑面积约为21.5万m2,建筑高度为217.20m.本项目塔楼标准层平面布置呈半椭圆形,顶部从屋面东侧悬挑出直升机救援平台,塔楼东侧有180m高的外凸玻璃中庭,从救援平台顺势倾斜而下,和底部裙楼玻璃天窗相接.本工程建成后将成为当地地标之一.
2塔楼结构设计特点及抗震性能目标
2.1设计特点
该塔楼结构主要设计特点有：高度超B级高度30%；平面布置不规则；东侧靠外凸幕墙部分楼板开口且各层不规则；二层受入口大堂通高布置影响,有效楼板宽度小于50%；局部钢桁架托柱转换等.同时,为增加外框架刚度,在塔楼东侧两个疏散楼梯边部通高设中心钢支撑.
2.2抗震性能目标
结构构件抗震性能目标见表1.
表1结构构件抗震性能目标
3幕墙结构
幕墙结构以塔楼结构作为其支撑体系,根据塔楼结构特点,将幕墙结构分为顶部区块02和顶部区块03、底部区块01两部分.
顶部中庭部位幕墙包含顶部区块02和顶部区块03,采用钢板梁（钢板厚40mm）和竖向悬吊方钢管（□120×200×12×12）体系,各区块幕墙的重力荷载由悬挂在主体结构避难层（42层和27层）的转换桁架上的方钢管承担,水平风荷载和地震荷载由铰接于塔楼中庭两侧钢管混凝土柱的水平钢板梁传递给主体结构.
底部区块01中庭结构采用了拉索式门式刚架和箱形次梁体系,幕墙的重力荷载由悬挂在12层的受拉杆件、拉索式门式刚架和箱形次梁共同承担,水平风荷载和地震荷载由拉索式门式刚架、连接于塔楼墙体的水平次梁共同承担.拉索式门式刚架南侧由主入口的空间桁架提供竖向和水平支撑,北侧连接在四层的裙楼结构上.
4结构计算分析
4.1塔楼结构
（1）结构整体计算指标
分别采用SATWE,ETABS软件对塔楼结构进行计算,分析时提取幕墙荷载,然后作用于塔楼以近似考虑幕墙结构对塔楼的影响.分析时考虑双向地震作用的扭转耦联效应,并考虑偶然偏心影响.结构阻尼比取0.04,水平地震影响系数最大值αmax取0.162（安评报告最大地面运动峰值加速度为0.072g×2.25等于0.162g）,特征周期Tg等于0.35s,抗震等级为特一级（钢框架梁为一级）.小震作用下结构主要计算结果见表2.
表2小震作用下结构主要计算结果
由表2可以看出,两种软件计算结果相近,结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比小于0.85；小震作用下最大层间位移角小于高规限值1/637；剪力墙轴压比控制在0.4以内；X向剪重比基本满足规范要求,Y向剪重比不满足规范剪重比要求的楼层数小于总楼层数的15%；框架部分分配的楼层地震剪力标准值最大值大于结构基底剪力标准值的10%,因此按高规第9.1.11条第3款对框架部分进行剪力调整；楼层位移比在裙楼以上各层均小于1.2,仅在裙楼个别楼层大于1.2,但小于1.4；结构26层（27层避难层下层）为薄弱层,对其地震作用下的剪力标准值乘以1.25的放大系数；结构刚重比大于1.4和2.7,满足稳定性要求,计算时可不考虑重力二阶效应.结构顶点风振加速度小于0.25m/s2,满足舒适度要求.
（2）中震不屈服、中震弹性承载力验算
剪力墙、钢框架梁按中震不屈服设计.水平地震影响系数最大值αmax取0.45,荷载分项系数和构件承载力抗震调整系数改为1,材料强度采用标准值,将与抗震等级相关的调整系数均改为1.采用SATWE,ETABS软件对结构进行分析设计.计算结果表明剪力墙的剪压比不大于0.20,钢框架梁应力比不大于0.95.
钢管混凝土框架柱、伸臂桁架、转换桁架按中震弹性设计.水平地震影响系数最大值αmax取0.45,与抗震等级相关的调整系数均改为1.计算结果表明伸臂桁架各构件应力比不大于1.0,钢管混凝土柱应力比不大于0.9.
4.2幕墙结构
（1）整体分析
为确保幕墙结构计算的可靠性,对幕墙结构进行了独立分析设计,计算采用SAP2000（V14）,其中玻璃幕墙自重取1.5kN/m2,活荷载取0.5kN/m2,风荷载、地震作用按照《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102―2003）相关规定取值,并参考风洞试验报告相关结果.此时,顶部区块02、顶部区块03的水平钢板梁与塔楼相接处近似按不动铰支座考虑,但42,27,12层的转换桁架按实际情况考虑.幕墙底部区块01与北侧裙楼的连接,竖向按不动铰支座考虑,水平向用线弹簧模拟实际楼层刚度；与南侧裙楼连接时,裙楼竖向、水平向按等效刚度折算的深梁模拟.
（2）水平钢板梁屈曲分析
对顶部区块02、顶部区块03的水平钢板梁进行单榀屈曲分析,钢板梁用壳单元模拟,钢板梁两端用铰支座模拟,竖向吊杆用弹簧单元模拟,弹簧刚度按竖向钢管受拉轴向刚度计算.为确保收敛性,在竖向吊杆与钢板梁交接处设置刚域以减小应力集中.侧向风荷载、地震作用按楼层高度折算为线荷载,作用于钢板梁侧面,钢板梁计算模型及屈曲分析可以看出,风荷载、地震作用下屈曲因子均大于29,满足结构稳定要求.
6结语
综上所述,由于中庭幕墙结构依附在塔楼结构上,所以在进行塔楼设计时只需要考虑幕墙结构的附加荷载.我们在设计幕墙结构时,不仅要达到幕墙自身承载力的要求,也要考虑到其与塔楼交接部位位移协调产生的次应力影响.这种设计方法有着减小幕墙结构构件尺寸同时令建筑效果更好的优点.