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摘要：本文通过具体工程实例，介绍了某高层建筑结构方案的决策过程，采用多个程序对整体参数进行了比较，对整体结构进行了弹性时程分析，计算结果表明均能满足规范要求。可为同行设计提供参考。
关键词：超限高层；结构设计；结构选型；弹性时程分析
一、工程概况
某工程总建筑面积达106737m2，主楼部分地上39层，避难层设于第16、31 层，建筑高度149.9m（至女儿墙顶为160m），裙楼部分地上7层，建筑高度为33. 5m（至女儿墙顶为39.5m），主要作为酒店的公共空间，裙楼屋面设有室内游泳池；地下室2层，深10.5m，主要为车库和设备间，地下两层局部6级人防。建筑效果图见图1。
主楼和裙楼在地面以上设置抗震缝断开，分为各自独立的两个结构，主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架- 剪力墙结构，整个地下室连为一体。
该工程设计使用年限为50年，安全等级为二级，建筑抗震设防分类按标准设防类（丙类）设计，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.05 g，建筑场地类别为Ⅳ类，结构重要性系数取1. 0。地基基础设计等级为甲级。裙楼框架的抗震等级为四级，剪力墙的抗震等级为三级；主楼框架的抗震等级为三级，核心筒抗震等级为二级。
二、结构选型
（一）嵌固端验算
根据建筑单体地面以上范围向外围延伸两跨，计算出地下1层剪切刚度的原则，得出主楼地下1层刚度是地上1层刚度的2.81倍（X向），11.26倍（Y向）。裙房地下一层刚度是地上一层刚度的8.07倍（X向），7.70（Y向）。在设计时地下室顶板采用现浇梁板体系，楼板厚度取180mm，配筋采用双层双向，配筋率不小于0.25%。按照规范规定，上部两栋建筑可取地下室顶板作为嵌固端。
（二）主楼结构布置
主楼采用框架-核心筒结构体系，利用中心位置的电梯井、楼梯间等合适部位布置剪力墙，周边则布置框架柱，核心筒为主要的抗侧力构件，墙厚为500～250mm；周边框架柱则承担了大部分的竖向荷载，框柱截面尺寸1000mm×1400mm～800mm×800mm。
竖向构件混凝土强度等级从C60渐变到C40，并且与截面变化错开。控制结构底部多数框架柱的轴压比不超过0.9，但由于建筑对主楼的框架柱大小限制，个别框架柱的最大轴压比已达0.92，所以对个别框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性来满足轴压比限值要求。主楼标准层平面见图2
（三）裙房结构布置
裙房采用框架-剪力墙结构体系，规范规定此体系剪力墙宜均匀布置在建筑物周边附近，受建筑功能使用限制，该工程剪力墙不能随便布置，设计优先利用建筑楼梯，电梯井道布置剪力墙，尽可能使刚度均匀对称，以减少结构的扭转效应，同时为减弱荷载不均匀导致的扭转效应，增大了外圈框架梁的截面尺寸（600mm×900mm），增加了结构的抗扭刚度。裙房标准柱距8.4m，柱截面尺寸800mm×800mm，框架梁截面450mm×700mm，梁板柱混凝土强度等级均为C40。
裙房设有大堂及多功能厅，跨度分别达到2m和27m，且大跨屋顶上设有游泳池，所以大堂及多功能厅屋顶均使用后张有粘结预应梁，截面分别为500mm×1800mm500mm×1500mm，较好的解决了大跨、超重情况下构件的承载力、裂缝和挠度问题。裙房标准层平面见图3。
（四）基础设计
主楼基础采用桩筏，筏板厚2.4m，桩基采用钻孔灌注桩，桩径1100mm，桩有效长93m，以10-3中风化凝灰岩为桩基持力层，单桩承载力特征值约12000kN。
裙楼基础采用桩基承台结构，承台高为1.5～2.0m，承台间设800mm厚防水板；桩基采用钻孔灌注桩，桩径800mm，桩有效长度65m，以8-1黏土层为桩基持力层，单桩承载力特征值约4000kN。无上部结构部分地下室基础采用抗拔桩筏板结构，筏板厚800mm，抗拔桩桩径600mm，桩有效长度46m，单桩抗压承载力特征值约2000kN，单桩抗拔特征值约1200kN。
（五）結构超长、超厚的有效措施
整个建筑地下室南北长达150m，东西长达13 m，结构超长，远超于规范规定的地下室墙壁类结构伸缩缝最大间距30m；基础底板厚度较大，属于大体积混凝土，收缩应力明显。为减少施工期间超长、超厚混凝土的收缩变形对结构的影响，采取以下措施：
1）进行详细的温度应力和收缩应力分析，采取相应的内力组合进行构件设计。
2）除沉降后浇带以外，每隔30～40 m 左右设置伸缩后浇带，裙房范围内的伸缩后浇带，由基础底板贯通至建筑屋面。
3）对地下室底板，外墙及顶板的混凝土要求添加微膨胀纤维抗裂剂，并适当加强外墙水平拉通钢筋、顶板拉通钢筋。
4）对纯地下车库，上部覆土在结构施工完后及早进行回填覆盖。
三、结构超限类型
（一）结构高度
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，设防烈度为6度时，框架-核心筒结构限制高度为150m，框架-剪力墙结构限制为130m。
该工程主楼和裙房结构高度分别为149.9m 和33. 5m，均为高度不超限结构。
（二）规则性
1、主楼规则性分析
1）SATWE程序计算结果显示，在考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1. 2，小于1.4，属于扭转不规则。
2）因建筑入口大堂中庭空间要求大开洞，结构2 层楼板开洞面积大于30%，属于楼板不连续。也形成跨越二个层高的穿层柱，柱高9m。
2、裙房规则性分析
1）SATWE 和PMSAP两种程序计算结果显示，在考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1.2，小于1.4，属于扭转不规则。 2）因建筑大空间要求，裙房多功能厅及其前厅挑空，导致结构四层楼板开洞面积大于30%，属于楼板不连续。
3）建筑在五层平面（大屋顶）处，竖向构件位置收进大于25%，导致尺寸突变。
（三）超限类型判定
该工程主楼结构属于高度不超限高层建筑，且只有二项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”。故主楼不属于超限高层。而裙房高度不超限，但同时具有三项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”和“刚度突变”，故裙房属于超限高层。
（四）结构加强措施
1、主楼加强措施
主楼不属于超限高层建筑，但高度达149.9 m，接近A 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度。设计中采取以下措施：
1）为提高结构整体抗扭能力，对外围框架裙梁加大截面尺寸，提高其刚度。
2）对底部框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性。
3）加强底部墙数量及增加厚度，以保证底层内筒占总倾覆力矩比例接近80%。
2、裙房加强措施
1）对于裙房多功能厅大空间，导致的楼板开洞及不连续，在四层处楼板加厚为140 mm，并双层双向通长配筋且配筋适当加强。在计算时，考虑到楼板不连续对结构整体有较大的影响，此时楼板在自身平面内刚度无限大的假定不适用，内力计算时，4层楼板均采用弹性壳单元來模拟。
2）由于结构平面不对称和刚度的不均匀，整体扭转效应比较明显，所以在不影响建筑功能的基础上，四周楼梯处及电梯井处布置剪力墙，同时加大外围框架梁截面，使结构有很好的抗扭刚度。
3）对于5 层平面处竖向体型突变部位的楼板加强，板厚为150 mm，且双层双向配筋，每层每方向钢筋网的配筋率不小于0. 25%。体型突变部位的上下层结构的楼板也加强构造措施。
四、结构计算分析
（一）主楼计算分析
主楼计算采用SATWE 软件（2011年9月份版本）。计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联与施工模拟工况。采用SATWE双向地震作用进行结构包络设计，计算取18个振型，整体计算结果见表1。
从表1 中数据可见，各项指标均满足规范限值要求。
（二）裙房计算分析
裙房结构整体计算分别采用由中国建筑科学研究院研制的SATWE 和PMSAP 程序进行，同时采用弹性时程分析模块进行了弹性时程分析补充计算。
1、两种软件计算结果对比
SATWE 和PMSAP 两种软件整体计算结果比较见表2。
根据两个软件的分析结果对照可知：（1）两软件计算分析的结构反应特征、
变化规律基本吻合，各项指标基本一致，说明结果较为可信；（2）结构具有合适的刚度，符合工程经验及力学概念所做的判断，且满足各种工况下的计算要求，各项计算指标均满足规范要求。
2、弹性时程分析
采用SATWE 软件对结构进行弹性时程分析补充计算并与反应谱法的计算结果进行对比。选用地震波RH1TG075，TH1TG075 以及TH3TG075. 其均为SATWE 提供的地震波，X、Y向三条地震加速度时程曲线的最大值为18cm/s2，地震力放大系数人工波和天然波均取1.0，主要计算结果见表3。
注：比值= 时程基底剪力/反应谱基底剪力
由表3 可以看出，每条时程曲线计算的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，其平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，时程分析的计算结果、结构反应特性、变化规律与反应谱法基本吻合。
五、结语
本文总结了该工程主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架-剪力墙结构均是比较经济合理的结构体系。主楼建筑高度接近A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，整体计算结果表明，在多遇地震作用下，各项指标均满足规范要求。裙房存在扭转不规则、楼板不连续和刚度突变等超限情况，通过合理的结构布置，对薄弱部位采用有效加强措施，最后通过两种计算软件的对比分析以及弹性时程补充分析，计算结果显示，各项指标均能满足规范要求；可见该工程结构的抗震性能较为合理可靠，能够满足抗震设防的要求。
关键词：超限高层；结构设计；结构选型；弹性时程分析
一、工程概况
某工程总建筑面积达106737m2，主楼部分地上39层，避难层设于第16、31 层，建筑高度149.9m（至女儿墙顶为160m），裙楼部分地上7层，建筑高度为33. 5m（至女儿墙顶为39.5m），主要作为酒店的公共空间，裙楼屋面设有室内游泳池；地下室2层，深10.5m，主要为车库和设备间，地下两层局部6级人防。建筑效果图见图1。
主楼和裙楼在地面以上设置抗震缝断开，分为各自独立的两个结构，主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架- 剪力墙结构，整个地下室连为一体。
该工程设计使用年限为50年，安全等级为二级，建筑抗震设防分类按标准设防类（丙类）设计，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.05 g，建筑场地类别为Ⅳ类，结构重要性系数取1. 0。地基基础设计等级为甲级。裙楼框架的抗震等级为四级，剪力墙的抗震等级为三级；主楼框架的抗震等级为三级，核心筒抗震等级为二级。
二、结构选型
（一）嵌固端验算
根据建筑单体地面以上范围向外围延伸两跨，计算出地下1层剪切刚度的原则，得出主楼地下1层刚度是地上1层刚度的2.81倍（X向），11.26倍（Y向）。裙房地下一层刚度是地上一层刚度的8.07倍（X向），7.70（Y向）。在设计时地下室顶板采用现浇梁板体系，楼板厚度取180mm，配筋采用双层双向，配筋率不小于0.25%。按照规范规定，上部两栋建筑可取地下室顶板作为嵌固端。
（二）主楼结构布置
主楼采用框架-核心筒结构体系，利用中心位置的电梯井、楼梯间等合适部位布置剪力墙，周边则布置框架柱，核心筒为主要的抗侧力构件，墙厚为500～250mm；周边框架柱则承担了大部分的竖向荷载，框柱截面尺寸1000mm×1400mm～800mm×800mm。
竖向构件混凝土强度等级从C60渐变到C40，并且与截面变化错开。控制结构底部多数框架柱的轴压比不超过0.9，但由于建筑对主楼的框架柱大小限制，个别框架柱的最大轴压比已达0.92，所以对个别框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性来满足轴压比限值要求。主楼标准层平面见图2
（三）裙房结构布置
裙房采用框架-剪力墙结构体系，规范规定此体系剪力墙宜均匀布置在建筑物周边附近，受建筑功能使用限制，该工程剪力墙不能随便布置，设计优先利用建筑楼梯，电梯井道布置剪力墙，尽可能使刚度均匀对称，以减少结构的扭转效应，同时为减弱荷载不均匀导致的扭转效应，增大了外圈框架梁的截面尺寸（600mm×900mm），增加了结构的抗扭刚度。裙房标准柱距8.4m，柱截面尺寸800mm×800mm，框架梁截面450mm×700mm，梁板柱混凝土强度等级均为C40。
裙房设有大堂及多功能厅，跨度分别达到2m和27m，且大跨屋顶上设有游泳池，所以大堂及多功能厅屋顶均使用后张有粘结预应梁，截面分别为500mm×1800mm500mm×1500mm，较好的解决了大跨、超重情况下构件的承载力、裂缝和挠度问题。裙房标准层平面见图3。
（四）基础设计
主楼基础采用桩筏，筏板厚2.4m，桩基采用钻孔灌注桩，桩径1100mm，桩有效长93m，以10-3中风化凝灰岩为桩基持力层，单桩承载力特征值约12000kN。
裙楼基础采用桩基承台结构，承台高为1.5～2.0m，承台间设800mm厚防水板；桩基采用钻孔灌注桩，桩径800mm，桩有效长度65m，以8-1黏土层为桩基持力层，单桩承载力特征值约4000kN。无上部结构部分地下室基础采用抗拔桩筏板结构，筏板厚800mm，抗拔桩桩径600mm，桩有效长度46m，单桩抗压承载力特征值约2000kN，单桩抗拔特征值约1200kN。
（五）結构超长、超厚的有效措施
整个建筑地下室南北长达150m，东西长达13 m，结构超长，远超于规范规定的地下室墙壁类结构伸缩缝最大间距30m；基础底板厚度较大，属于大体积混凝土，收缩应力明显。为减少施工期间超长、超厚混凝土的收缩变形对结构的影响，采取以下措施：
1）进行详细的温度应力和收缩应力分析，采取相应的内力组合进行构件设计。
2）除沉降后浇带以外，每隔30～40 m 左右设置伸缩后浇带，裙房范围内的伸缩后浇带，由基础底板贯通至建筑屋面。
3）对地下室底板，外墙及顶板的混凝土要求添加微膨胀纤维抗裂剂，并适当加强外墙水平拉通钢筋、顶板拉通钢筋。
4）对纯地下车库，上部覆土在结构施工完后及早进行回填覆盖。
三、结构超限类型
（一）结构高度
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，设防烈度为6度时，框架-核心筒结构限制高度为150m，框架-剪力墙结构限制为130m。
该工程主楼和裙房结构高度分别为149.9m 和33. 5m，均为高度不超限结构。
（二）规则性
1、主楼规则性分析
1）SATWE程序计算结果显示，在考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1. 2，小于1.4，属于扭转不规则。
2）因建筑入口大堂中庭空间要求大开洞，结构2 层楼板开洞面积大于30%，属于楼板不连续。也形成跨越二个层高的穿层柱，柱高9m。
2、裙房规则性分析
1）SATWE 和PMSAP两种程序计算结果显示，在考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1.2，小于1.4，属于扭转不规则。 2）因建筑大空间要求，裙房多功能厅及其前厅挑空，导致结构四层楼板开洞面积大于30%，属于楼板不连续。
3）建筑在五层平面（大屋顶）处，竖向构件位置收进大于25%，导致尺寸突变。
（三）超限类型判定
该工程主楼结构属于高度不超限高层建筑，且只有二项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”。故主楼不属于超限高层。而裙房高度不超限，但同时具有三项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”和“刚度突变”，故裙房属于超限高层。
（四）结构加强措施
1、主楼加强措施
主楼不属于超限高层建筑，但高度达149.9 m，接近A 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度。设计中采取以下措施：
1）为提高结构整体抗扭能力，对外围框架裙梁加大截面尺寸，提高其刚度。
2）对底部框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性。
3）加强底部墙数量及增加厚度，以保证底层内筒占总倾覆力矩比例接近80%。
2、裙房加强措施
1）对于裙房多功能厅大空间，导致的楼板开洞及不连续，在四层处楼板加厚为140 mm，并双层双向通长配筋且配筋适当加强。在计算时，考虑到楼板不连续对结构整体有较大的影响，此时楼板在自身平面内刚度无限大的假定不适用，内力计算时，4层楼板均采用弹性壳单元來模拟。
2）由于结构平面不对称和刚度的不均匀，整体扭转效应比较明显，所以在不影响建筑功能的基础上，四周楼梯处及电梯井处布置剪力墙，同时加大外围框架梁截面，使结构有很好的抗扭刚度。
3）对于5 层平面处竖向体型突变部位的楼板加强，板厚为150 mm，且双层双向配筋，每层每方向钢筋网的配筋率不小于0. 25%。体型突变部位的上下层结构的楼板也加强构造措施。
四、结构计算分析
（一）主楼计算分析
主楼计算采用SATWE 软件（2011年9月份版本）。计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联与施工模拟工况。采用SATWE双向地震作用进行结构包络设计，计算取18个振型，整体计算结果见表1。
从表1 中数据可见，各项指标均满足规范限值要求。
（二）裙房计算分析
裙房结构整体计算分别采用由中国建筑科学研究院研制的SATWE 和PMSAP 程序进行，同时采用弹性时程分析模块进行了弹性时程分析补充计算。
1、两种软件计算结果对比
SATWE 和PMSAP 两种软件整体计算结果比较见表2。
根据两个软件的分析结果对照可知：（1）两软件计算分析的结构反应特征、
变化规律基本吻合，各项指标基本一致，说明结果较为可信；（2）结构具有合适的刚度，符合工程经验及力学概念所做的判断，且满足各种工况下的计算要求，各项计算指标均满足规范要求。
2、弹性时程分析
采用SATWE 软件对结构进行弹性时程分析补充计算并与反应谱法的计算结果进行对比。选用地震波RH1TG075，TH1TG075 以及TH3TG075. 其均为SATWE 提供的地震波，X、Y向三条地震加速度时程曲线的最大值为18cm/s2，地震力放大系数人工波和天然波均取1.0，主要计算结果见表3。
注：比值= 时程基底剪力/反应谱基底剪力
由表3 可以看出，每条时程曲线计算的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，其平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，时程分析的计算结果、结构反应特性、变化规律与反应谱法基本吻合。
五、结语
本文总结了该工程主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架-剪力墙结构均是比较经济合理的结构体系。主楼建筑高度接近A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，整体计算结果表明，在多遇地震作用下，各项指标均满足规范要求。裙房存在扭转不规则、楼板不连续和刚度突变等超限情况，通过合理的结构布置，对薄弱部位采用有效加强措施，最后通过两种计算软件的对比分析以及弹性时程补充分析，计算结果显示，各项指标均能满足规范要求；可见该工程结构的抗震性能较为合理可靠，能够满足抗震设防的要求。