论超限高层建筑结构设计

张孟

摘 要：我国社会经济建设步伐不断加快，建设用地日趋紧张，使得超限高层建筑的数量日益增加。新材料的出现及施工技术的不断进步，为超限高层建筑发展提供良好条件的同时也对建筑抗震结构提出新的要求。近些年来不断发生的地震灾害带来了巨大的国民经济损失和人员的伤亡，对社会造成了严重的负面影响。因此，通过合理有效的分析研究，采用各种措施来提高超限高层建筑的抗震性能，尽可能地减少地震灾害带来的影响，对保证社会的稳定发展及人民生命财产安全具有重大的意义。

关键词：超限高层建筑；结构设计；抗震设计

1 引言

随着中国经济的快速发展，城市的超高层建筑大量涌现，地震灾害对这类建筑的威胁越来越严重，对超限高层建筑结构的抗震分析也越来越成为目前国内外的科研热点问题。本文介绍了超限高层建筑的概念，对超限高层建结构筑的抗震设计进行了分析和探讨。

2 超限高层建筑的概念

超限高层建筑是指超出国家和地方现行规范、规程所规定的适用高度和适用结构类型的高层建筑，体型特别不规则的高层建筑，以及有关的政府管理机构文件中规定要进行抗震专项审查的高层建筑。“超限”具体说就是高度超限，平面不规则超限，竖向不规则超限。

建设部从1993年起开始对高层建筑工程进行抗震设防审查的试点工作，1997年，为加强抗震设防管理工作，建设部发布了《超限高层建筑工程抗震设防管理暂行规定》（59号令），1998年正式在全国各地开展超限高层建筑工程的抗震设防专项审查。随着国务院《建筑工程勘察设计管理条例》和《建筑工程质量管理条例》的施行，2003年，建设部发布了《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（111号令）。

3 几种常见超限建筑结构抗震设计

3.1 转换结构的抗震设计

底部带转换层结构抗震设计时，应避免底部结构破坏，结构的延性耗能机制宜在上部结构呈现。底部结构包括：转换构件、框支柱、落地墙、转换层以上二层的楼板、墙体和柱。转换层以下必须设置足够的上下连续的落地墙。如果上部楼层侧向刚度比主体结构底部楼层侧向刚度减少较少，应通过减少上部墙体刚度或增加落地墙刚度等措施加以调整。

对于高位转换，需要考虑低位转换和高位转换的不同。低位转换主要按相邻层的侧向刚度比控制，高位转换一方面要控制相邻层的刚度比，另一方面要比较分析转换结构与不转换的结构在转换高度处的总体刚度，使二者的总体刚度接近。

3.2 连体结构的抗震设计

（1）连体结构大致可分为以下四类：①两个主塔间用刚性连接的结构体相连，连接体是一个或者多个，每个连接体是一层或多层。②房屋立面开设大洞口，在洞口顶部设转换构件将洞口两侧相连。③平面开口为槽形并且很大，在开口处每隔若干层设置连接構件加强楼盖的整体性，不满足刚性楼盖假定，减少扭转位移比。④供人行的通廊连接两个主塔间，通常按支座可滑动的结构处理。

（2）不同的连体，设计方法不同：①当连体与两端铰接时，至少应一端采用可滑动连接，根据震害经验，设计时要保证遇到大震不坠落，就应考虑支座处两个主塔沿连体的两个主轴方向在大震时的弹塑性位移，然后按位移设计。如果两个主塔高低不同，主轴方向斜交或正交时，就必须考虑双向水平地震的同时作用。当连体为多层时，要同时考虑支座处的位移和相关楼层的位移。②大洞口顶部的转换构件，本身要按水平转换构件进行设计，支座处需考虑楼层侧向刚度突变而导致的薄弱，采取相应的措施。③对于开口处的连接构件，可以按照中震下不屈服进行设计，并且将连接部位的抗震等级提高。④对于连体和两端刚接的情况，需要算出两端支座在大震下的内力以及变形，确保连体本身和连接部位的安全。对高低的主塔、如果主轴方向不一致，同样要仔细的分析计算。

3.3 平面扭转不规则的抗震设计

按刚性楼板假定进行结构整体计算时，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，大于该楼层平均值的1.2倍。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，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑及高规第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。

应注意，最大水平位移和平均水平位移值的计算，均应取楼层中同一轴线两端的竖向构件，不应计入楼板的悬挑端。

实际工程设计中，要使结构平面规则往往比较困难。但无论采用何种结构体系，结构的平面和竖向布置都应使结构具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成颇弱部位；对可能出现的颇弱部位，在设计中应采取有效措施，增强其抗震能力；宜具有多道防线，避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受水平风荷载、地震作用和重力荷载的能力（引自《高规》条文说明）。

（1）楼板开大洞削弱后，可采取下列构造措施：①加厚洞口附近楼板，提高楼板的配筋率，采用双层双向配筋，每层、每向配筋率，不宜小于0.25%。②洞口边缘设置边梁、暗梁；暗梁宽度可取板厚的2倍，纵向钢筋配筋率不宜小于1.0%。③在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。

（2）サ字形、井字形平面等楼板有较大的凹入时的加强措施主要有：①设置拉梁或拉板，且宜每层均匀设置。拉板厚宜取250～300mm，按暗梁的配筋方式配筋。拉梁、拉板内纵向钢筋的配筋率不宜小于1.0%。纵向受拉钢筋不得搭接，并锚人支座内不小于。②设置阳台板或不上人的外挑板，板厚不宜小于180mm，双层双向配筋，每层、每向配筋率不宜小于0.25%，并按受拉钢筋锚固在支座内。③凹角部位增配斜向钢筋。当中央部分楼、电梯间使楼板有较大削弱时，应将楼、电梯间周边楼板加厚并加强配筋，加强连接部位墙体的构造措施。

此外，这时应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。如在结构分析中根据开洞情况考虑采用弹性楼板模型等。

4 超限高层建筑设计应重视抗震概念设计

对于超限高层建筑结构的设计，分析计算十分重要，但计算不是超限高层结构设计的全部内容。目前有的各种计算模型都是在各种假定条件下作一定的简化处理才得以实现的，其计算出的结果一定反映结构的真实受力状态；对于工程中出现的各种各样的结构形式，现有的计算模型很多都不能适用的。因此在超限高层建筑结构设计时，一方面要重视结构的计算，但也不能过于依赖计算和盲目的应用计算结果，应从工程结构的抗震概念和基本力学出发，认真分析计算结果；重视结构的概念设计以及工程实践经验的应用。

5 结语

随着我国经济的迅猛发展，超限高层建筑也越来越多，并向着更超高化、普遍化、功能综合化、环境生态化、管理智能化的方向发展，超限高层建筑结构的抗震设计问题也变得越来越突出。设计人员一方面要掌握各种先进软件和先进的设计方法，同时也要掌握高层建筑的抗震设计、设计特点、设计原理、体系选择等相关的知识，只有这样才能使设计达到经济合理、质量可靠、技术先进、安全适用的目的。

参考文献：

[1] J GJ 3—2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 甘丹，张敬书等.细腰复杂截面高层建筑抗震性能分析[J].西北地震学，2008（4）.