本文關鍵詞：上海市超限高層建筑工程的若干問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 23 卷第 5 期 2007 年 10 月

結　 　 　 　 構 工 程 師 Structural Engineers

Vol 23 , No. 5 . Oct 2007 .

上海市超限高層建筑工程的若干問題研究
黃志華 　 呂西林
(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室 ,上海 200092

)

摘　 　 要 近年來 ,上海市超限高層建筑工程大量涌現(xiàn) 。這些超限高層建筑在抗震設計方面往往存在問 題 。首先介紹超限高層建筑工程的定義 ,并根據定義對上海市 124 項超限高層建筑工程的超限情況進 行匯總分析 ; 然后闡述超限高層建筑結構計算與結果分析的要求 ; 最后對超限高層建筑的設計要點進行 研究和總結 。 關鍵詞 　 超限高層建筑 , 結構計算 , 結果分析 , 設計要點

A Study on Some Issues for Out - of - Codes Ta ll Bu ild in gs in Shangha i
HUANG Zhihua 　LU Xilin
( State Key Laboratory for D isaster Reduction in Civil Engineering , Tongji University, Shanghai 200092, China)

超限高層建筑正大量涌現(xiàn) 。比較有代表性的超限 高層建筑有上海環(huán)球金融中心大廈 、 上�；春＞� 華苑 2 樓和上海久百城市廣場等 。這些超限高 層建筑的出現(xiàn)滿足了人們審美和使用的需求 , 緩 解了城市用地緊張的壓力 , 但也帶來了許多不容 忽視的問題 。譬如 , 由于建筑高度與體型的特殊 要求 ,大量采用的鋼 - 鋼筋混凝土混合結構缺乏 充分設計依據 ,以及超限大跨空間結構的抗震與 抗風存在許多問題等 。目前 , 對超限高層建筑工 程的研究工作還滯后于工程建設實踐 , 一些超限 高層建筑工程很可能存在安全隱患 。為了實現(xiàn)超 限高層建筑的設計和建造 , 要擺脫傳統(tǒng)結構體系
收稿日期 : 2007 - 7 - 20
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Lastly, the design guidelines for out2 2codes tall buildings are investigated and summ arized. of

Abstract　Nowadays, the out2 2codes tall buildings, which are becom ing more extensive in Shanghai, alw ays of have some p roblem s in seis ic design. m

1　 　 前 言

ed and analyzed. Then the requirements of structural analysis for out2 2codes tall buildings are p resented. of Keywords　out2 2codes tall building, structural computation, result analysis, design guideline of

buildings According to the definition, the information of 124 out2 2codes tall buildings in Shanghai is collect2 . of

隨著經濟的發(fā)展和建筑技術的進步 , 上海市

Firstly, this paper introduces the definition of out2 2codes tall of

的束縛 ,加強新結構材料 、 新施工工藝和新抗震技 術的研究 。

2　 超限高層建筑工程的定義

根據建設部第 111 號令《超限高層建筑工程

抗震設防管理規(guī)定 》超限高層建筑工程是指超 , 過國家現(xiàn)行規(guī)范 、 規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用

結構類型的 、 體型特別不規(guī)則的 , 以及有關規(guī)范 、 規(guī)程規(guī)定應進行抗震專項審查的高層建筑工程 。 《 超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術 要點 》 中定義下列高層建筑工程屬于超限高層建 筑工程 : ( 1 )房屋高度超過規(guī)定 ,包括超過《建筑抗震
( ) 設計規(guī)范 》以下簡稱《 抗震規(guī)范 》第 6 章現(xiàn)澆鋼

筋混凝土結構和第 8 章鋼結構適用的最大高度 、

Structural Engineers Vol 23 , No. 5 . ( 超過《 高層建筑混凝土結構工程技術規(guī)程 》以下 ) 簡稱《 高層混凝土結構規(guī)程 》第 7 章中有較多短 肢墻的剪力墻結構 、 10 章錯層結構和第 11 章 第 混合結構最大適用高度的高層建筑工程 。 ( 2 )房屋高度不超過規(guī)定 , 但建筑結構布置

?2?

Study of Design M ethod 　

比例見圖 2。由圖可知 , 帶轉換層結構是復雜體 型中最常見的一種結構形式 , 其中又以梁式轉換 為主 , 其次是箱形轉換 、 桁架轉換 、 厚板轉換等其 他轉換方式 。多種復雜結構所占比例位于第二 位 。隨著高層建筑越建越高 , 建筑體型和平面布 置日趨復雜 ,多種復雜結構所占的比例將逐步提 高。

屬于《 抗震規(guī)范 》 高層混凝土結構規(guī)程 》 、 《 規(guī)定的 特別不規(guī)則的高層建筑工程 。主要包括 : ① 同時 具有下列三項及三項以上不規(guī)則的高層建筑工 程 : 扭轉不規(guī)則 、 偏心布置 、 凹凸不規(guī)則 、 組合平 面、 樓板不連續(xù) 、 剛度突變 、 尺寸突變 、 構件間斷和 承載力突變 。 ② 具有下列某一項不規(guī)則的高層建 筑工程 : 扭轉偏大 、 抗扭剛度弱 、 層剛度偏小 、 高位 轉換 、 厚板轉換 、 塔樓偏置 、 復雜連接和多重復雜 。 ③ 其他高層建筑 : 單跨高層建筑 、 特殊類型高層建 筑和超限大跨空間結構 。 ( 3 )高度大于 28 m 且屋蓋結構超出《網架結 構設計與施工規(guī)程 》 網殼結構技術規(guī)程 》 和《 規(guī)定 常用形式的大型公共建筑工程 (暫不含膜結構 ) 。

圖 2　 復雜體型各部分組成示意圖

3　 上海市超限高層建筑工程超限情況統(tǒng)

4　 超限高層建筑結構計算與結果分析的

計
　　 只有對現(xiàn)有超限高層建筑工程的超限情況有 了充分的了解 ,才能有側重地進行研究工作和制 定相應的規(guī)程和規(guī)定 。因此 , 本文對上海市 124 項超限高層建筑工程的超限情況進行了統(tǒng)計分析 (圖 1 ) 。其中 ,高度超過規(guī)范 、 規(guī)程適用范圍的約 占 12 % ,高寬比超限的約占 4 % ,復雜體型的約占 40 % ,超高且復雜體型的約占 6 % , 高位轉換的約 占 7 % , 厚板轉換的約占 1 % , 塔樓偏 置的約 占
2 % ,單跨高層建筑約占 1 % 。

要求
　　 ( 1 ) 結構抗震計算分析時應采用兩種或兩種 以上符合實際情況的不同力學模型的計算程序進 行計算 。一般采用的結構設計軟件有 SAT E, W
P SAP, ETAB S和 M I AS等 。 M D ( 2 ) 對 B 級高度的高層建筑結構和復雜高

層建筑結構 ,抗震計算時 ,宜考慮平扭耦連計算結 構的扭轉效應 , 振型數不應小于 15 , 對多塔樓結 構的振型數不應小于塔樓數的 9 倍 , 且計算振型 數應使振型參與質量不小于總質量的 90 % 。 ( 3 ) 當 7 度設防結構高度超過 100 m , 8 度設 防結構高度超過 80 m , 或結構豎向剛度不連續(xù) 時 ,應采用彈性動力時程分析法進行多遇地震下 的補充計算 。結構時程分析所用的地震波應符合 規(guī)范要求 ,持續(xù)時間一般不小于結構基本周期的
5 倍 ; 彈性時程分析的結果 , 一般取多條波的平均

值 , 超高較多或體型復雜時宜取多條波的包絡 。 應對反應譜法和時程分析的結果進行比較 , 取二
圖 1　 上海市超限高層建筑超限情況示意圖

者的不利情況設計 。 ( 4 ) 結構自振周期 、 振型應合理 ,各樓層地震 剪力與其上各層總重力荷載代表值的比值應符合 《 抗震規(guī)范 》 的要求 ; 結構總體扭轉效應要得到控 制 ,考慮偶然偏心下的各樓層扭轉位移以及結構 周期比要滿足要求 。

　　 由以上數據可知 , 復雜體型在超限高層建筑 工程中所占的比例較大 。復雜體型分為帶轉換層 結構 、 帶加強層結構 、 錯層結構 、 連體結構 、 多塔樓 結構和組合而成的多種復雜結構 , 各種結構所占

? 設計方法研究 ?
( 5 ) 薄弱層地震剪力和不落地構件傳給水平

?3?

結構工程師第 23 卷第 5 期 　

轉換構件的地震內力調整系數取值 , 超高時宜大 于規(guī)范的規(guī)定值 。 ( 6 ) 轉換層的樓層剛度比 、 轉換構件剪壓比 要控制得當 ; 高位轉換與低位轉換的控制指標不 同 ; 必要時 ,水平轉換構件需采用重力荷載下不考 慮墻體共同工作的手算加以復核 。 ( 7 ) 一般情況下 , 要進行最不利方向地震作 用的設計分析 ; 必要時應采用靜力非線性分析或 動力彈塑性分析方法確定薄弱部位 。 ( 8 ) 必要時應有重力荷載下的結構施工模擬 分析 。 ( 9 ) 鋼結構和鋼 - 混凝土混合結構中 , 鋼結 構部分承擔的地震剪力應按超限程度比規(guī)范的規(guī) 定適當增加 。

圖 3　 平面不規(guī)則的幾種情況

　　 ( 2 )對于凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)的情 況 ,采取符合樓板平面內實際剛度變化的彈性樓 板計算模型 。在電梯間及中間凹口等開大洞的部 位附近設置能真實計算樓板平面內與平面外剛度 的彈性樓板計算模式 , 真實反映出相應部位的內 力結果及截面配筋 。對于扭轉不規(guī)則 , 采用考慮 扭轉耦聯(lián)的振型分解反應譜法 , 計及扭轉影響 。 反映結構整體扭轉效應的主要控制指標的扭轉位 移比和結構周期比應符合相應的規(guī)定 。 ( 3 )樓板應力集中部位 (凹凸部位及洞口四 角 )和弱連接的樓板 ,應采用加大樓板厚度 , 增加 板內配筋 ,配置集中配筋的邊梁 , 配置 45 ° 斜向鋼 筋等方法加強 。凹口部位可增設部分拉梁或拉 板 ,以改善這些薄弱部位的剛度和延性 ,有利于抗 震性能的提高 。
5. 3 　 豎向規(guī)則性超限的設計要點

5　 超限高層建筑的設計要點
5. 1 　 高度和高寬比超限建筑的設計要點 ( 1 ) 盡可能采用適用高度較高的結構類型 ,

例如鋼筋混凝土框架結構房屋高度超限時 , 可改 用框架 - 剪力墻結構 。 ( 2 ) 應驗算結構整體抗傾覆穩(wěn)定性 ,要驗算樁 基在側向力最不利組合情況下樁身是否會出現(xiàn)拉 力或過大的壓力 。應進行風荷載或地震作用下的 舒適度驗算 。要控制頂點位移及層間側移 。當側 移滿足不了要求時 ,可考慮利用建筑設備層和避難 層空間 ,沿豎向設置若干層伸臂桁架或腰桁架 。 ( 3 ) 適當降低底部豎向構件在最不利荷載組 合下的軸壓比并加強配筋 。當軸壓比滿足不了要 求且構件斷面再增大有困難時 , 可采用鋼或其他 組合構件與混凝土共同組成的結構 。
5. 2 　 平面規(guī)則性超限建筑的設計要點

豎向規(guī)則性超限的情況包括立面收進 (圖 4 ( a) ) 、 立面懸挑 (圖 4 ( b ) ) 、 立面 開大 洞 (圖 4 ( c) ) 、 連體 (圖 4 ( d ) ) 、 多塔樓 (圖 4 ( e ) ) 、 帶轉換 層、 帶加強層等 。下面簡要介紹某些豎向規(guī)則性 超限情況的設計要點 。 1 )立面收進的設計要點 ( 1 )對于立面收進較多的 、 超過《高層混凝土 結構規(guī)程 》 立面收進限值條件的結構 , 在可能的 情況下 ,宜采用臺階形多次內收的立面 。 ( 2 )對于立面收進幅度過大引起的超限 , 當 樓板開洞且平面比較規(guī)則時 , 在計算分析模型中 可以采用剛性樓板的假定 , 一般情況下可以采用 振型分解反應譜法進行計算 。結構分析的重點應 是檢查結構的位移有無突變 , 結構剛度沿高度的 分布有無突變 ,結構的扭轉效應是否能控制在合

平面不 規(guī)則 的情況 包 括 凹 凸 不 規(guī) 則 (圖 3 ( a) , ( b) ) 、 樓板局部不連續(xù) (圖 3 ( c ) , ( d ) ) 和扭 轉不規(guī)則 。其中圖 3 ( d ) 為錯層造成的樓板局部 不連續(xù) 。 ( 1 )當平面過于不規(guī)則 、 樓板聯(lián)系過弱 , 或當 建筑物超長時 ,可通過設置變形縫將結構分成若 干個子結構 。對結構扭轉效應明顯的超限高層建 筑 , 應盡量使抗側力構件在平面布置中對稱 、 均 勻 ,避免過大偏心 ,并應盡量加大外圍豎向構件的 抗側剛度和強度 。

Structural Engineers Vol 23 , No. 5 .

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Study of Design M ethod 　

理范圍內 。如果存在立面收進部位比較高 、 收進 程度比較大或偏心收進比較嚴重的情況 , 應補充

進行靜力非線性分析和時程分析 , 驗證結構的抗 震性能 ,確定結構的薄弱部位 。

圖 4 　豎向規(guī)則性超限的幾種情況

　　 ( 3 )應加大立面收進處構件截面尺寸或增加 配筋 ,以增加構件的延性 ,保證在地震作用下不喪 失豎向承載力 。結構立面收進如果造成偏心 , 底 部結構會因扭轉效應的影響而內力加大 , 底部結 構的周邊構件應加強配筋 。當收進層在房屋頂層 時 ,整層的豎向構件宜適當加強 ,以應對頂層可能 產生的鞭梢效應 。 2 )帶轉換層高層建筑的設計要點 ( 1 )盡量避免多級復雜轉換 。優(yōu)先采用梁式 轉換 ,慎重采用厚板轉換 。應盡量強化和提高轉 換層下部結構側向剛度 、 抗震承載能力和延性 。 應控制轉換層的設置高度 。 ( 2 )結構分析時除了檢查結構位移和剛度有 無突變外 ,還要重點檢查框支柱所承受的地震剪 力和軸壓比 。必要時可采用有限元方法對轉換結 構進行局部補充計算 。整體結構宜進行彈性時程 分析補充計算和彈塑性時程分析校核 。 ( 3 )要采取有效措施減少轉換層上 、 下結構 等效剪切剛度和承載能力的突變 。要加強轉換層 樓板 、 轉換構件 、 框支梁 、 框支柱 、 框支層上部剪力 墻 (包含筒體 ) 及落地剪力墻 (包含筒體 ) 的抗震 構造措施 。 3 )連體高層建筑的設計要點 ( 1 )應控制連體部位的層數 , 一般情況下連 體部位的層數不宜過多 。連接體下的兩個塔樓的 層剛度不宜相差太大 。 ( 2 )連體結構體型特殊 , 連接部位受力復雜 , 對連接體部分應采用彈性樓蓋進行計算 。水平地 震作用計算時 ,要考慮偶然偏心的影響 ,并宜進行 雙向地震作用驗算 , 重點關注結構因特有的體型 帶來的扭轉效應 。 8 度抗震設計時 , 連體結構的 連接體應考慮豎向地震動的影響 。在風荷載作用 下 ,要注意各塔樓之間的狹縫效應對結構帶來的 影響 。

( 3 )連接體結構自身重量應盡量減輕 , 因此

應優(yōu)先采用鋼結構 ,也可采用型鋼混凝土結構等 。 為保證連接處與兩側塔樓的有效連接 , 連接體結 構與主體結構宜采用剛性連接 。連接體結構與主 體結構非剛性連接時 , 支座滑移量應能滿足兩個 方向在罕遇地震作用下的位移要求 。應加強連接 體以下塔樓內側和外圍構件的強度和延性 。 4 )多塔樓高層建筑的設計要點 ( 1 )多塔樓建筑結構各塔樓的層數 、 平面和 剛度宜接近 , 塔樓對底盤宜對稱布置 。塔樓結構 與底盤結構質心的距離不宜大于底盤相應邊長的 20 % �？拐鹪O計時 , 轉換層不宜設置在底盤屋面 的上層塔樓內 ; 否則 ,應采取有效的抗震措施 。 ( 2 )多塔樓建筑計算分析的要點是裙房的整 體性和裙房協(xié)調上部多塔樓變形的能力 。一般情 況下裙房的樓板在計算模型中應按彈性樓板處 理 ,每個塔樓的樓層可以考慮為一個剛性樓板 ,計 算時整個計算體系的振型數不應小于 18 個 。當 裙房樓板削弱較多 , 以至于不能協(xié)調多塔樓共同 工作時 ,可以按單個塔樓進行簡化計算 。 ( 3 )為保證多塔樓建筑結構底盤與塔樓的整 體作用 ,底盤屋面樓板厚度不宜小于 150 mm , 并 應加強配筋構造 ; 底盤屋面上 、 下層結構的樓板也 應加強構造措施 �？拐鹪O計時 , 多塔樓之間裙房 連接體的屋面梁應予以加強 ; 塔樓中與裙房連接 體相連的外圍柱和剪力墻的配筋也應予以加強 。

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(下轉第 18 頁 )

Structural Engineers Vol 23 , No. 5 .

?1 8 ?

Structural Analysis　

N 代表軸力 ,以拉力為正 ,壓力為負 ; M 代表彎矩 ,

以截面下緣受拉為正 ,受壓為負 。

算 , 以區(qū)分不同施工工況下 , 結構的應力空間分 布。 ( 2 ) 計算結果表明 ,在恒載作用下 ,全橋沿橫 向會發(fā)生應力不均勻的現(xiàn)象 , 具體表現(xiàn)在靠近拱 肋處應力 、 撓度較小 ,遠離拱肋處應力 、 撓度較大 , 因此 ,需要通過張拉橫向預應力調整結構的應力 和撓度 。 ( 3 )采用基于全實體單元模型的計算結果與 現(xiàn)場測試數據對比 ,基本相近 ,說明整個計算過程 是符合實際情況的 , 這也為今后類似橋梁的設計 和施工提供指導 。

圖 7　 主梁跨中處斷面縱橋向應力沿橫橋向分布 　 1 表
部位 拱腳
L / 4 截面

參考文獻
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拱肋各截面內力值 (工況 5)
N / kN - 50 192 - 44 695 - 41 180

內力 M / ( kN ?m )
- 4 527 1 911 674

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