维普资讯 第37卷第 1期 土 木 工 程 学 报 V01．37 No．1 2004年 1月 C如 ACIV几 ENGINEEfUNGJOURNAL Jan． 2004 关于超限高层建筑抗震设防审查的若干讨论 徐培福 王亚勇 戴 国莹 (中国建筑科学研究院) 摘要：超限高层建筑的抗震设防审查，是提高高层建筑工程抗震设计 的可靠性、避免抗震安全隐患，同时又促 进高层建筑技术发展的有力手段，本文就抗震设防审查的必要性、主要内容和实现超限高层建筑设计的重要概 念及关键技术措施提出若干参考意见。 关键词：超限高层建筑；抗震设防；审查 中图分类号：TU201 TU972．4 文献识别码：A 文章编号 ：lO00-131X (2OO4)O1．0001—07 C 【7SSIoN oNREⅧ 狮 OF ⅡC F0R1Ⅱ1CA皿 0N OFTAU BIⅡ『 SW 删 DESIGN BEY0ND I1EIE CODE LⅡ rI XuPeifu WangYayong DaiGuoying (ChinaAcademyofBuildingResearch) Abstract：Thereview fortheseismicf0rtificationoftallbuildingsbeyondthecodelimitsisaneffectivecounter—m~518u1．e toguaranteethequalityof theseismicdesign，toensurehteearthuqakesafeyt of tallbuildingstructures，andot improvehte constructiontcehnologyof hishries buildingsaswel1．Inhtispapera raisedsomerecommendationsonhtenceessiyt．main proceduresforhtereview，aswellashtekeyconceptionnadkeytcehnicalmeasuresforesismicdesing of hishries buildings thdesing beyondhtecodelimits． Keywords：tallbuildingwiht desing beyondhtecodelimits；esismicfortification；review 建设部在 1993年就开始对高层建筑工程进行抗 设计的重要概念和关键技术措施等问题，供参考。 震设防审查的试点工作，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，国家和省 1 超限高层建筑抗震审查的必要性 市 自治区分别成立了超限高层建筑工程抗震设防审查 专家委员会。随着国务院 《建筑工程质量管理条例》 1．1 通过抗震审查 。提高抗震设计的可靠性 。避免 和 《建筑工程勘察设计管理条例》的施行 ，建设部发 安全隐患 布了第 111号部长令 超《限高层建筑工程抗震设防管 近十年来，我国高层建筑工程的建设规模，居世 理规定》，以及 《全国超限高层建筑工程抗震设防审 界之前列。房屋的高度不断增加 ，各种十分复杂的体 查专家委员会抗震设防专项审查办法》Ll和 《超限高 型和结构时常出现，不少高层建筑结构超出抗震设计 层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[2]等重要文 规范、规程 的适用范围和有关 的抗震设计规定。 件，指导全国各地开展超限高层建筑工程抗震设防专 这些高层建筑如不通过专门的研究，进行可行性论 项审查工作。 证，并采取有效的抗震措施，将危及结构的抗震安 几年来，由全国超限高层建筑工程抗震设防审查 全。超限高层建筑的抗震审查，主要是审查其超限的 专家委员会参与专项审查的项 目近 100项。其中。总 可行性，限制严重不规则的建筑结构；对于超高或特 高度超过规范、规程适用范围的约 占40％，高位转换 别不规则的结构 ，则需要审查其理论分析、试验研究 约占2o％，复杂体型约占35％，超高又复杂者 占5％。 或所依据震害经验的可靠性，所采取的抗震措施是否 本文就各地超限高层建筑工程抗震设防专项审查工作 有效。其 目的，就是要避免、消除抗震安全隐患。 情况，简要讨论了高层建筑超限设计抗震设防审查的 建设部在高层建筑抗震设防审查试点时，先后组 必要性，超限设计可行性论证的主要 内容，实现超限 织福建、云南、甘肃、安徽、江西五省及北京、上海 两市，对 170多项高层建筑工程的抗震设防质量及抗 收稿 日期：2o03．11—15 震设计进行抽查，发现大多数高层建筑在抗震设防上 ＼ ， 蘸瞧_ i 维普资讯 · 2 · 土 木 工 程 学 报 20o4年 都存在这样或那样的问题，有的问题还十分严重，特 不改变建筑方案或结构类型就无法在现有经济技术条 别是危及安全的问题。因此，建设部以部长令规定超 件下采取措施防止倒塌，则应明确要求对建筑方案、 限审查是十分必要的。 结构类型进行调整。 1．2 通过抗震审查 。促进技术进步 。为规范、规程 规则性要求的严格程度，可依据设防烈度的不同 的修订创造条件 有所区别。当计算的水平位移很小时，扭转位移比的 工程建设标准规范是从事建设活动的有关各方组 控制可略有放宽。 织协调一致的约束性文件，是以科学技术发展和实践 2．2 结构计算和理论分析 经验结合的总结为基础的，是体现两者有机结合的综 结构设计应依据超限的类型和程度，进行有针对 合成果。按照国务院 《建设工程质量管理条例》和 性的计算，计算结果应有工程判断，论证结构布置和 《建设工程勘察设计管理条例》的要求，建筑工程的 所采取的措施对实现规定的抗震设防 目标的适用性、 设计单位必须按照工程建设强制性标准进行设计，当 可靠性，确保大震下的安全。例如： 建筑工程设计没有相应的技术标准作为依据时，应当 ①结构周期、振型是否合理，结构各层的地震剪 进行论证，并经国务院或者省级人民政府主管部门组 力与其上各层总重力荷载代表值的比值，是否符合 织的工程技术专家委员会审定。工程设计中应以严肃 《抗震规范》的要求，Ⅲ、Ⅳ类场地条件时是否再适 科学的态度，认真执行强制性标准。但是，标准的强 当增加。对于结构底部总地震剪力偏小较多的结构， 制性规定并不排斥新技术、新材料的应用，更不会桎 表示其地震作用主要不是地震加速度而是地震地面运 梏技术人员创造性的发挥，束缚科技的发展，我们应 动速度和位移引起的。一般要求将总地震剪力乘 以增 该建立既有利于标准贯彻实施，又有利于科技发展的 大系数来考虑上述速度和位移的作用。 机制 。 ②不考虑偶然偏心的最大层间位移和考虑偶然偏 超限高层建筑的审查，就是以严肃科学的态度对 心的扭转位移比是否控制在规定的范围，扭转位移比 待可超过规范、规程规定的工程，通过专家的讨论和 超过时是否有相应的措施。例如，主楼偏置时，裙房 反复研究，结合理论计算、试验研究和震害经验，论 端部的扭转位移比可能大于规范提出的 l。5的限制， 证超出规范、规程规定的新技术、新材料的可行性和 但采取措施确保裙房端部在大震下不出现屈服，可认 合理性，从而促进新技术的研究和工程试点应用，推 为这种措施是有效的。当核心筒在平面内偏置造成扭 动科学技术的发展，并通过工程经验的积累，将一些 转位移比严重偏大时，将筒体周边的部分墙体改为隔 行之有效的抗震设计技术逐步纳入规范和规程。事实 墙，虽削弱了筒体的侧向刚度，但可在保持结构位移 上，在2002年版的规范、规程修编中，已经吸收了 满足规范要求的前提下明显减少了扭转位移比，而使 不少超限高层建筑工程积累的经验和技术。 用功能不变。 ③结构时程分析所用的地震波和计算结果是否符 2 超限设计可行性论证的主要内容 合规范要求，在此基础上对反应谱法和时程分析的结 果进行比较，不仅对总地震作用和最大层间位移进行 2．1 说明其超限的类型和超限的程度 比较，还要对楼层的剪力和层间位移沿高度的分布进 罄 _=m雾 棼嚣 ≯ 翰鼯 鏊垂嚣妊 羚 鏊嚣 菸 “雏黔0磐 曩 ^__∥0 曩 文献 [2]对超限高层建筑工程的范围作了说明： 行比较，取二者的不利情况设计。 臻谨 童 滔 臻 蓬 鞲蓦 强臻薯 售 旗 莲 垂 罐笼薯 囊l l 琶越 l ，．0 鞠l i 如混凝土结构、混合结构和钢结构有不同的适用高 ④转换层的楼层刚度比、转换构件剪压比的控制 度、转换层形式和位置、多塔、连体、错层、加强 是否得当；高位转换与低位转换的控制指标不同；必 层、竖向不规则、平面不规则等。 要时，水平转换构件需采用重力荷载下不考虑墙体共 明确建筑工程超限的类型和程度时，可参考文献 同工作的手算复核。 [2]的说明，并注意： ⑤钢结构和钢 一混结构中，钢框架部分承担的地 总高度超过时，高度越高，对规则性的要求越 震剪力应比规范的规定适当增加，超高越多，增加越 严 。 多。例如，规范要求取结构总地震剪力的 25％和框 对不规则的超限高层建筑，要明确不规则的程 架部分按刚度分配计算的最大层剪力的1．8倍这二者 度，避免严重不规则的建筑结构。所谓严重不规则， 中的较小值，超高时可取二者的平均值或其中的较大 指体型复杂，多项实质性的突变指标或界限超过规定 值而不是二者中的较小值。 或某一项大大超过规定，具有严重的抗震薄弱环节， ⑥必要时，应有重力荷载下的结构施工模拟分 可能导致严重后果，存在明显的地震安全隐患。如果 析 。 0 融 隶 0 ，ij 维普资讯 第 37卷 第 1期 徐培福等 ·关于超限高层建筑抗震设防审查的若干讨论 ·3 · 2．3 结构抗震加强措施 的超高层建筑。如7度设防的上海环球金融中心，至 超限高层建筑结构的抗震加强措施应与现行规定 塔顶的最大高度达到492m，居世界前列；7度设防的 逐一对 比，应明确结构的抗震薄弱部位和薄弱程度， 大连国际贸易中心，结构高度 330m，核心筒出屋面 提出达到规定的抗震设防 目标的有效措施。 高度约8m；8度设防的北京银泰中心酒店楼，结构高 ①根据烈度、超限程度的不同和构件在结构中所 度230m，上部还有23m的装饰构架；6度设防的南宁 处部位的不同，区别对待、综合考虑，确实提高结构 地王国际商会中心，结构高度 201m，上部还有40m 延性 。当设防烈度不同时，尽管规范所列举的不规则 的局部高塔。 建筑方案的界定相同，但设计要求有所不同：烈度越 这类超高层建筑，总高度超过规范、规程的最大 高，不仅仅是需要采取的措施增加，体现各种概念设 适用范围很多，一般外形基本属于规则，仅局部有少 计的调整系数也要加大。 量的不规则。抗震设防审查时，着重于： ②关键部位柱轴压比过大时应采取相应的加强措 ①不同结构体系的对 比，尽可能采用适用高度较 施；根据结构的实际情况，可采用增强约束箍筋、增 高的结构类型。 设芯柱、型钢混凝土和钢管混凝土构件等提高延性的 ②对加强层的数量、位置和构造要仔细论证 。 措施；钢结构可采用减震耗能设计。 ③对混凝土剪力墙的剪应力应严格控制，如采用 ③总高度超高的规则结构，通常把塑性铰的部位 大震下墙体满足剪应力的截面控制条件。 控制在底部，墙体底部的剪应力不得过大；还需适当 ④对关键部位的细部构造要保证在大震下的安 提高多道防线的抗震能力； 全 。 ． ④复杂结构的薄弱部位，需要依据薄弱程度从承 例如，大连国际贸易中心大厦 (图 1)，78层， 载力和细部构造两方面采取有针对性的综合措施。如 采用混凝土核心筒 一钢外框结构，平面长宽④比 1．7， ⑨ 必要时按 中震下不屈服设计，同时要防止因局部加强 为切角矩形，主楼外形规则。初步设计时，外框采用 产生新的明显的薄弱部位。 1．2m方形钢管柱，柱距约 5m，并于 10层 以下抽柱转 ⑤必要时，应采用静力弹塑性分析或动力弹塑性 换 ，改用 1．9m 的型钢混凝土柱；内筒底部墙厚为 分析方法确定薄弱部位。 1．1m，上部67～74层在 内筒中部设中庭；结合设备 2．4 试验研究成果的运用 层共设置了三道双层高的伸臂层。 对难以借鉴国内外现有工程经验的超限高层建 筑，需要提出抗震试验的方案和试验 目标 ，以便确实 获得设计依据。当借鉴国内外现有的工程经验和研究 成果时，要有明确的适用范围和结论。 2．5 基于性能设计 必要时，可按基于性能设计的要求提出结构设计 方案，尤其是抗震设防类别为乙类的高层建筑，或超 限程度很多的高层建筑，可根据性能要求提出具体设 防 目标。如中震时关键部件不屈服，结构总体经一般 修理即可继续使用；或在大震作用下某些构件按极限 承载力进行对应于地震作用标准值的效应进行复核等 等。 2．6 依据岩土工程勘察成果进行基础设计 总高度超高时，应论证其地基、基础设计方案的 切实可行性。妥善处理防震缝设置。当主楼与裙房在 地下室不分缝时，应按照上部结构 、基础、地基共同 图1 大连国际贸易中心示意图 作用进行变形计算，确保地基变形计算值不大于地基 Fig．1 Dalianinternationaltradebuilding 变形允许值。 该工程位于7度和 I类场地，属风力控制；结构 计算 采 用 TAT、SATWE、STAAD／CHINA和 MIDAS／ 3 超高层建筑抗震设防的专项审查 GEN四个软件，地震下两个方向最大层间位移分别约 为 1／1600和 1／1000，风力下最大层间位移分别约为 1／ 近年来，我国在抗震设防区设计了一批高度很大 i ． l ! 维普资讯 土 木 工 程 学 报 20O4芷 _i＼ 一．一 一 1600和 1／510；按特一级要求设计的内筒墙底剪应力 薄弱部位，采取相应措施。 小于O．03fe，底部加强部位的外框 src柱和内筒墙体 均按设防烈度地震下不破坏设计。专家组认为：该工 4 转换结构抗震设防的专项审查 程结构布置和抗震措施适当，总体满足抗震设 防要 求，予 以通 过；建议施工 图设计 时，外框应 承担 高层建筑的转换结构有两类 ：一类为墙体转换 ， 25％总剪力，增强二道防线；并对伸臂的高度 (一层 一 类为柱或斜撑转换。墙体及其转换大梁形成拱，对 或二层)和数量做进一步分析。 框支柱有向外推力；抽柱的转换梁是空腹桁架的下弦 又如，上海环球金融中心，100层，采用钢 一混 杆，次内力较大，有时不考虑空腹桁架的空间作用。 凝土混合结构，系在 1997年设计并完成桩基施工的 不同的转换要有不同的设计方法，框支转换大梁的设 基础上加高至492m。外形基本规则，底面为 58m的 计和空腹桁架下弦杆的设计有明显的不同，不可相 正方形，在一个对角线上立面为弧形金字塔，另一个 混。有时，结构在两个主轴方向的转换类型不同，在 对角线m以上开设 了一个直 一 个方向为框支转换，另一个方向为抽柱转换，则需 径 53m的大圆洞 (图2)。 分别处理；在一个方向为框支柱，另一个方向为落地 墙的端柱，计算框支柱数量时，两个方向应区别对 待。 底部带转换层结构抗震设计时，应避免底部结构 破坏，888集团官网入口结构的延性耗能机制宜在上部结构中呈现。底 部结构包括：落地墙、框支柱、转换构件、转换层以 上二层的楼板、墙体和柱。转换层以下必须布置足够 的上下连续的落地墙。当主体结构底部楼层侧向刚度 比上部楼层侧向刚度减少较多时，宜通过增加落地墙 刚度或减少上部墙体刚度等措施加以调整。 对高位转换，如8度区底部5层为商业建筑，上 部的抗侧力墙体在五层顶转换，需要考虑高位转换与 低位转换的不同：低位转换主要按相邻层的侧向刚度 比控制，高位转换不仅要控制相邻层的刚度 比，而且 要对不转换的结构与转换结构在转换高度处的总体刚 度进行比较，使二者的总体刚度 比较接近。这里，侧 图2 上海环球金融 中心不意图 Fig．2 sllarlghaihuanqiu6mncebIli】ding 向刚度计算时，需要注意转换大梁的正确模拟 ：将大 梁作为线性杆件计算时，其轴线位置应按截面的抗弯 结构按 7度乙类建筑设防，外框筒采用巨型柱、 中心确定 ，相邻上下层的竖向构件，需要考虑对应的 巨型斜撑和周边桁架组成的巨型斜撑框架结构；核心 刚域。当在裙房顶板处进行高位转换时，还需考虑转 筒在 340m以下采用混凝土结构，并在260m以上 由接 换层 以下裙房参与主楼整体工作的程度，分别处理， 近方形转换为哑铃形，按特一级要求采取抗震措施 ， 使侧向刚度 比的计算能反映结构实际工作状态。 在 340m以上为钢斜撑简体结构 ；内外筒之间设三道 对于不落地构件通过次梁转换的问题，应慎重对 三个层高的伸臂桁架加强。结构受风力控制，采用 待。少量的次梁转换 ，设计时对不落地构件 (抗震 ETABS、SAP2000、SATWE和MIDAS／GEN四个软件计 墙、柱、支撑等)的地震作用如何通过次梁传递到主 算，地震作用下两个方向的层间位移分别为 1／1200 梁又传递到落地竖向构件要有计算分析，即：不落地 和 1／960，风力下的层间位移分别为 1／560和 1／900。 竖向构件地震作用在次梁上形成的弯矩，按规范增大 整个结构按设防烈度下墙体、柱和斜撑不屈服设计， 后成为主梁的集中扭矩，再传递到主梁两端的落地竖 内筒墙体控制罕遇地震下的剪应力。审查组明确：该 向构件，成为落地构件的附加弯矩；主梁的抗扭分析 工程总体上满足抗震设防要求，予以通过；要求加强 中可考虑楼板的有利影响。通过上述计算对有关部位 顶部结构的抗扭能力 ，调整内筒混凝土墙体转换的结 采取相应的加强措施，方可视为符合 《抗震规范》强 构布置和构造，对伸臂桁架的数量做进一步研究，并 制性条文 3．5．2条规定 ， “有明确的计算简图和合理 通过时程分析、推覆计算和模型试验进一步明确抗震 的传递途径”。 ， 0 维普资讯 维普资讯 土 木 工 程 学 报 2004伍 对开 口处的连接构件 ，可按 中震下不屈服设计 ， 并提高连接部位的抗震等级。 对大洞 口顶部的转换构件，本身应按水平转换构 件设计，支座处应考虑楼层侧 向刚度突变导致的薄 弱，采取相应的措施 。 9度设防时不应采用连体结构。连体本身在 8度 时应考虑竖向地震 ，此时，支座处的竖向地震可能比 地面加大，可通过考虑竖向地震输入的弹性时程分 析，计算连体的竖向振动。 对大跨度的连体，其竖向振动问题是否影响正常 使用，也需要予以考虑。 对于连体与主塔的连接，有条件时可采用隔震支 座和消能阻尼器等技术。此时，应进行专门的计算分 析和支座的构造设计 。 6 特殊体型结构抗震设防的专项审查 近来，某些建筑设计，由于使用功能和美观要求， 导致体型特别不规则，平面扭转效应很大或楼板 内被 图5 某综合楼结构不意图 大洞 口严重削弱，竖 向刚度突变，上下构件不连续， Fig．5 Sketchofacomplicatedstructure 上部构件超长悬挑，动力特性不同的多塔彼此相连等 等。尤其是多项不规则性同时并存，结构计算分析模 震薄弱部位和薄弱程度，有针对性地采取抗震措施， 型难以正确反映实际情况，需要借助各种简化手段。 使之尽可能满足使用性能的要求，又确保整个结构达 这种特殊复杂结构，可根据具体情况详细研究其 到抗震设防的要求，有利于避免或消除超限高层建筑 地震下的受力特点，按基于性能设计的要求，提出结 的抗震安全隐患，有利于促进高层建筑技术的进步。 构设计方案，对薄弱部位从抗震承载力和延性两方面
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