1、1超限高层建筑结构设计探讨摘要：随着国民经济的发展越来越快，人们对于建筑的空间要求也在不断地增高，这使得一些增加空间的建筑结构应运而生。但是由于现今的土地资源日益紧张，怎样更好的、最大限度的增大土地利用率、减少土地浪费成为我国建筑业首要考虑的问题。本文就超限高层建筑结构设计中的抗震设计做简单的探讨，以供同仁参考借鉴。 关键词：超限高层；抗震结构设计；问题；措施；基于性能 Abstract: with the development of national economy more and more quickly, people for building space requirements
2、are also constantly increased, which makes some of the increase of the space building structure arises at the historic moment. But because the current land resources increasingly nervous, how to better, the maximum increase land use efficiency, reduce the waste land become Chinas construction of fir
3、st consideration question. This paper will overrun highrise structure design of earthquake resistant design do simple discussion, in order to offer reference for colleagues. Keywords: transfinite top; Earthquake resistant structure design; Problem; Measures; Based on the performance 中图分类号：TB482.2 文献
4、标识码：A 文章编号：2095-22104（2012） 一、超限高层建筑概述 所谓超限高层建筑，是指超出国家现行规范、规程所规定的适用高度和适用结构类型的建筑工程，体型特别不规则的建筑工程，以及有关规范规程规定应进行抗震专项审查的高层建筑，简称超限建筑。从建筑结构的合理性上考虑，任何“超限建筑”都不可能是优秀建筑工程，因为其一结构不安全，特别是针对抗震而言，其稳定性和抗震颠覆能力大大低于不超限的建筑；其二造价高不经济，因为超限建筑要付出比正常情况的建筑物更高的经济代价来支撑其结构的建设，再加上形状的不规则使得建筑材料截面加大、节点强度加固、附加杆件增多等一系列不足。但是由于现今传统的高层建筑结
5、构形式，尤其是外观形象已经不能满足人们对于建筑功能和审美的需求。而超限建筑结构不仅具有建筑功能好、外观形象别具特色等优点，同时兼备高层建筑具有的视野开阔、空气流通、楼层污染少的特点。超限高层建筑不仅满足了人们对于结构上的创新要求，同时也是社会发展下的必然产物。 二、超限高层结构计算中存在的问题 目前规范采用多遇地震下的弹性设计确保结构“小震不坏” ，通过对结构不规则程度的控制和结构构件的延性要求，实现“中震可修、大震不倒”的设防目标。现行的建筑抗震设计规范(以下简称抗规) 和高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称高规)中引用了多项计算指标用于描述结构的不规则程度和整体性能，如采用扭转位移比和周期
6、比来评价结构的整体扭转效应，采用楼层刚度比和受剪承载力比来3描述结构在竖向的刚度和承载力的变化情况并据此判断结构的薄弱层和薄弱部位，采用刚重比指标来验算结构的整体稳定性并判断是否需要考虑二阶效应等。但对于体型不规则的复杂超限高层而言，采用上述计算指标来判断结构的不规则程度或描述结构整体性能时，有时会存在很多问题。 （一）刚重比 现行高规采用刚重比描述高层结构的整体稳定性，对于带剪力墙的高层结构的刚重比按式计算。 EJd/H2Gi 1. 4 高规同时规定，刚重比大于等于 2.7 时可不考虑二阶效应；刚重比在1.4，2.7时应考虑二阶效应的影响；刚重比小于 1.4 时二阶效应引起的附加侧向变形将呈
7、非线性急剧增大，可能导致结构整体失稳，因此高规作为强制性条款，规定刚重比不得小于 1.4。对于楼层刚度和质量沿高度分布均匀的高层结构，刚重比是适用的，但对底部带裙房底盘或顶部悬挑的高层结构，刚重比的计算会存在问题，不能反映结构的真实状况。 （二）结构扭转效应 规范中定义的位移比和周期比，应是对高层建筑结构整体振动效应的反映，不是结构的局部振动，因此，只有按“刚性楼板假定”计算得到的位移比和周期比才有意义。对因楼板局部不连续需要定义弹性楼板的工程，应分两次计算，计算位移比和周期比时应采用“刚性楼板假定” ，计算各工况内力、变形时采用能反映楼板平面内实际刚度变化的计算模4型。 （三）楼层侧向刚度计
8、算和薄弱层判别 依据楼层受剪承载力计算判别薄弱层位置存在较大的不确定性,通常采用相邻楼层刚度的变化加以判别,并采取相应的地震内力放大和构造加强措施。现行抗规采用地震作用下层间剪力与层间位移之比计算楼层的侧向刚度 Ki，即: Ki = Vi /ui 其中，Vi 、ui 分别为水平地震作用下第 i 楼层的层间剪力和层间位移。由于 ui 既包含了剪切变形,又包含了因结构整体弯曲(即刚体转动)引起的水平位移,导致按式计算得到的 Ki 随楼层位置的升高而逐层减小。以某 10 层结构为算例,层高均为 3.6m,各楼层均为同一标准层, X 方向各楼层的侧向刚度计算结果见表 1。可以看出,按抗规方法计算的第
9、10 层的侧向刚度仅为第 1 层的 13%左右；若当底层层高由 3.6m 增至9.8m 时，底层侧向刚度为相邻上一层的 72% ，是相邻上三层平均值的 86. 1% ,按抗规判别,不属于“侧向刚度不规则”,这显然是不合理的。 X 方向各楼层的侧向刚度计算结果 三、基于性能的超限高层建筑结构设计 基于性能的抗震设计(PBSD)方法，已引起我国工程界的普遍关注，并在复杂超限高层结构设计中逐步得到应用。PBSD 方法的基本思想是使结构在预定的使用年限内、在不同强度水平的地震作用下，达到预定的性能目标,结构的承载力、刚度、变形、累积滞回耗能、损伤等，均可作5为性能目标。 （一）性能目标 结构抗震设计的
10、性能目标是指某一设定地震地面运动下的预期性能水准，结合我国建筑抗震设计的设防目标，可采用在设计基准期内超越概率分别为 63%、10%和 2% 3%所对应的小震、中震和大震作为设定的地震动水准。下图为不同地震水准下结构的预期性能目标。 不同地震水准下结构的预期性能目标 （二）性能目标的合理选用 复杂超限高层因其结构高度或规则性等方面超出现行规范、规程的适用限值，从而使其抗震设计缺少相应的规定和依据。采用基于性能的设计方法，需要综合考虑结构的不规则程度、超高超限情况、所在地区的设防烈度和经济等因素，对结构的薄弱部位、关键部位或主要抗侧力构件，提出采取提高抗震承载力或提高结构变形能力、或同时提高抗震
11、承载力和变形能力的具体要求，确定合理的性能目标。 1、结构高度超过现行高规B 级高度较多而体型较规则时，其薄弱部位、重要部位和关键构件宜满足性能 2 的要求，承载力按中震弹性、大震安全的要求复核；大震下薄弱层弹塑性位移不宜大于 2 倍弹性位移限值。 2、结构高度超过现行高规B 级较多、同时不规则指标也超过限值较多时,主要抗侧力结构的竖向构件宜满足性能 2 的要求，承载力按中震弹性复核；薄弱部位、重要部位和关键构件的抗震承载力按大震不屈6服复核。低烈度区结构可按中震下抗侧力结构整体弹性进行设计。 3、结构高度和不规则指标超过限值均较小时，其薄弱部位、重要部位和关键构件宜满足性能 3 的要求，承载
12、力按中震不屈服的要求复核，风荷载较大的低烈度区结构宜按中震弹性复核；大震下薄弱层弹塑性位移不宜大于 34 倍弹性位移限值。 4、结构高度超过 A 级但未超过 B 级、不规则指标满足要求时，可按性能 4 的要求进行设计，细部构造满足 B 级高层的相关要求，大震下薄弱层弹塑性位移不超过弹塑性位移限值。 四、实例分析 某商务广场,主楼地上 54 层,建筑高度约 210m,结构高度 185m,现浇钢筋混凝土剪力墙体系,设防烈度 7 度, 类场地。结构高度超 A 级 54% ,超B 级 23.3%。 （一）性能目标及主要抗震措施 底部加强部位剪力墙墙肢抗震承载力按中震弹性、大震安全的要求复核；控制墙肢不
13、发生剪切破坏，经计算，在两个主轴方向上，底层墙肢平均剪应力约为 0.11fck0.12fck ,满足罕遇地震下截面抗剪的控制条件；剪力墙抗震等级采用特一级，比抗规提高 2 级，比高规B级高层提高 1 级；底部加强部位约束边缘构件向上延伸 5 层，即伸至 11层楼面，其余在楼层周边及核心筒四角的墙肢内设置通高约束边缘构件；控制风及小震作用下所有墙肢不出现受拉状态，对中震作用下出现受拉状态的墙肢设置约束边缘构件。 （二）转换构件设计 7本工程采用梁式转换，上部框架柱直接落在转换梁上，由于上部框架的截面尺寸较小，柱子微小的垂直位移就可能产生较大的附加应力，因此必须严格控制转换梁的挠度，同时应提高转换
14、框架的抗震承载力以及抗震等级，根据抗震专项审查专家意见，框支柱及转换梁强度设计采用中震下仍保持弹性受力状态，抗震等级采用特一级，其截面中均设置劲性钢骨（如下图） 转换梁上柱插钢筋示意简图 由于转换梁上荷载很大，中部转换梁上柱底恒载作用下轴力达到了7215KN,转换梁跨中和支座最大组合弯矩分别达到了 48132KN/M 和41001KN/M，梁柱节点的承载力必须加强，同时加强相邻框架梁的刚度和强度从而提高平衡转换梁支座弯矩的能力。 （三）结构抗震试验结果 静力弹塑性推覆分析表明，中震作用下结构基本上仍处于弹性状态，所有墙肢均没有出现塑性铰，仅底部加强部位以上少数连梁进入屈服状态；7 度大震作用下最大弹塑性层间位移角 1/452，大部分连梁出现塑性铰，个别墙肢开始屈服。 结束语 综上，基于性能的抗震设计方法用于复杂超限高层结构的抗震设计是可行的，确定抗震性能目标时，应综合考虑结构的不规则程度、超高超限情况、所在地区的设防烈度和经济等因素。 8参考文献 1建筑抗震设计规范 GB50011-2010S.中国建筑工业出版社，2010. 2高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010S.中国建筑工业出版社，2010. 3林树枝,徐泽瑶.基于抗震性能目标的超限高层建筑结构抗震分析J.福建建筑，2011.10.
