上海市超限高层建筑工程的若干问题研究

  本文关键词：上海市超限高层建筑工程的若干问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

第 23 卷第 5 期 2007 年 10 月

结　 　 　 　 构 工 程 师 Structural Engineers

Vol 23 , No. 5 . Oct 2007 .

上海市超限高层建筑工程的若干问题研究
黄志华 　 吕西林
(同济大学土木工程防灾国家重点实验室 ,上海 200092

)

摘　 　 要 近年来 ,上海市超限高层建筑工程大量涌现 。这些超限高层建筑在抗震设计方面往往存在问 题 。首先介绍超限高层建筑工程的定义 ,并根据定义对上海市 124 项超限高层建筑工程的超限情况进 行汇总分析 ; 然后阐述超限高层建筑结构计算与结果分析的要求 ; 最后对超限高层建筑的设计要点进行 研究和总结 。 关键词 　 超限高层建筑 , 结构计算 , 结果分析 , 设计要点

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)

超限高层建筑正大量涌现 。比较有代表性的超限 高层建筑有上海环球金融中心大厦 、 上海淮海晶 华苑 2 楼和上海久百城市广场等 。这些超限高 层建筑的出现满足了人们审美和使用的需求 , 缓 解了城市用地紧张的压力 , 但也带来了许多不容 忽视的问题 。譬如 , 由于建筑高度与体型的特殊 要求 ,大量采用的钢 - 钢筋混凝土混合结构缺乏 充分设计依据 ,以及超限大跨空间结构的抗震与 抗风存在许多问题等 。目前 , 对超限高层建筑工 程的研究工作还滞后于工程建设实践 , 一些超限 高层建筑工程很可能存在安全隐患 。为了实现超 限高层建筑的设计和建造 , 要摆脱传统结构体系
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

随着经济的发展和建筑技术的进步 , 上海市

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

的束缚 ,加强新结构材料 、 新施工工艺和新抗震技 术的研究 。

2　 超限高层建筑工程的定义

根据建设部第 111 号令《超限高层建筑工程

抗震设防管理规定 》超限高层建筑工程是指超 , 过国家现行规范 、 规程所规定的适用高度和适用

结构类型的 、 体型特别不规则的 , 以及有关规范 、 规程规定应进行抗震专项审查的高层建筑工程 。 《 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术 要点 》 中定义下列高层建筑工程属于超限高层建 筑工程 : ( 1 )房屋高度超过规定 ,包括超过《建筑抗震
( ) 设计规范 》以下简称《 抗震规范 》第 6 章现浇钢

筋混凝土结构和第 8 章钢结构适用的最大高度 、

Structural Engineers Vol 23 , No. 5 . ( 超过《 高层建筑混凝土结构工程技术规程 》以下 ) 简称《 高层混凝土结构规程 》第 7 章中有较多短 肢墙的剪力墙结构 、 10 章错层结构和第 11 章 第 混合结构最大适用高度的高层建筑工程 。 ( 2 )房屋高度不超过规定 , 但建筑结构布置

?2?

Study of Design M ethod 　

比例见图 2。由图可知 , 带转换层结构是复杂体 型中最常见的一种结构形式 , 其中又以梁式转换 为主 , 其次是箱形转换 、 桁架转换 、 厚板转换等其 他转换方式 。多种复杂结构所占比例位于第二 位 。随着高层建筑越建越高 , 建筑体型和平面布 置日趋复杂 ,多种复杂结构所占的比例将逐步提 高。

属于《 抗震规范 》 高层混凝土结构规程 》 、 《 规定的 特别不规则的高层建筑工程 。主要包括 : ① 同时 具有下列三项及三项以上不规则的高层建筑工 程 : 扭转不规则 、 偏心布置 、 凹凸不规则 、 组合平 面、 楼板不连续 、 刚度突变 、 尺寸突变 、 构件间断和 承载力突变 。 ② 具有下列某一项不规则的高层建 筑工程 : 扭转偏大 、 抗扭刚度弱 、 层刚度偏小 、 高位 转换 、 厚板转换 、 塔楼偏置 、 复杂连接和多重复杂 。 ③ 其他高层建筑 : 单跨高层建筑 、 特殊类型高层建 筑和超限大跨空间结构 。 ( 3 )高度大于 28 m 且屋盖结构超出《网架结 构设计与施工规程 》 网壳结构技术规程 》 和《 规定 常用形式的大型公共建筑工程 (暂不含膜结构 ) 。

图 2　 复杂体型各部分组成示意图

3　 上海市超限高层建筑工程超限情况统

4　 超限高层建筑结构计算与结果分析的

计
　　 只有对现有超限高层建筑工程的超限情况有 了充分的了解 ,才能有侧重地进行研究工作和制 定相应的规程和规定 。因此 , 本文对上海市 124 项超限高层建筑工程的超限情况进行了统计分析 (图 1 ) 。其中 ,高度超过规范 、 规程适用范围的约 占 12 % ,高宽比超限的约占 4 % ,复杂体型的约占 40 % ,超高且复杂体型的约占 6 % , 高位转换的约 占 7 % , 厚板转换的约占 1 % , 塔楼偏 置的约 占
2 % ,单跨高层建筑约占 1 % 。

要求
　　 ( 1 ) 结构抗震计算分析时应采用两种或两种 以上符合实际情况的不同力学模型的计算程序进 行计算 。一般采用的结构设计软件有 SAT E, W
P SAP, ETAB S和 M I AS等 。 M D ( 2 ) 对 B 级高度的高层建筑结构和复杂高

层建筑结构 ,抗震计算时 ,宜考虑平扭耦连计算结 构的扭转效应 , 振型数不应小于 15 , 对多塔楼结 构的振型数不应小于塔楼数的 9 倍 , 且计算振型 数应使振型参与质量不小于总质量的 90 % 。 ( 3 ) 当 7 度设防结构高度超过 100 m , 8 度设 防结构高度超过 80 m , 或结构竖向刚度不连续 时 ,应采用弹性动力时程分析法进行多遇地震下 的补充计算 。结构时程分析所用的地震波应符合 规范要求 ,持续时间一般不小于结构基本周期的
5 倍 ; 弹性时程分析的结果 , 一般取多条波的平均

值 , 超高较多或体型复杂时宜取多条波的包络 。 应对反应谱法和时程分析的结果进行比较 , 取二
图 1　 上海市超限高层建筑超限情况示意图

者的不利情况设计 。 ( 4 ) 结构自振周期 、 振型应合理 ,各楼层地震 剪力与其上各层总重力荷载代表值的比值应符合 《 抗震规范 》 的要求 ; 结构总体扭转效应要得到控 制 ,考虑偶然偏心下的各楼层扭转位移以及结构 周期比要满足要求 。

　　 由以上数据可知 , 复杂体型在超限高层建筑 工程中所占的比例较大 。复杂体型分为带转换层 结构 、 带加强层结构 、 错层结构 、 连体结构 、 多塔楼 结构和组合而成的多种复杂结构 , 各种结构所占

? 设计方法研究 ?
( 5 ) 薄弱层地震剪力和不落地构件传给水平

?3?

结构工程师第 23 卷第 5 期 　

转换构件的地震内力调整系数取值 , 超高时宜大 于规范的规定值 。 ( 6 ) 转换层的楼层刚度比 、 转换构件剪压比 要控制得当 ; 高位转换与低位转换的控制指标不 同 ; 必要时 ,水平转换构件需采用重力荷载下不考 虑墙体共同工作的手算加以复核 。 ( 7 ) 一般情况下 , 要进行最不利方向地震作 用的设计分析 ; 必要时应采用静力非线性分析或 动力弹塑性分析方法确定薄弱部位 。 ( 8 ) 必要时应有重力荷载下的结构施工模拟 分析 。 ( 9 ) 钢结构和钢 - 混凝土混合结构中 , 钢结 构部分承担的地震剪力应按超限程度比规范的规 定适当增加 。

图 3　 平面不规则的几种情况

　　 ( 2 )对于凹凸不规则和楼板局部不连续的情 况 ,采取符合楼板平面内实际刚度变化的弹性楼 板计算模型 。在电梯间及中间凹口等开大洞的部 位附近设置能真实计算楼板平面内与平面外刚度 的弹性楼板计算模式 , 真实反映出相应部位的内 力结果及截面配筋 。对于扭转不规则 , 采用考虑 扭转耦联的振型分解反应谱法 , 计及扭转影响 。 反映结构整体扭转效应的主要控制指标的扭转位 移比和结构周期比应符合相应的规定 。 ( 3 )楼板应力集中部位 (凹凸部位及洞口四 角 )和弱连接的楼板 ,应采用加大楼板厚度 , 增加 板内配筋 ,配置集中配筋的边梁 , 配置 45 ° 斜向钢 筋等方法加强 。凹口部位可增设部分拉梁或拉 板 ,以改善这些薄弱部位的刚度和延性 ,有利于抗 震性能的提高 。
5. 3 　 竖向规则性超限的设计要点

5　 超限高层建筑的设计要点
5. 1 　 高度和高宽比超限建筑的设计要点 ( 1 ) 尽可能采用适用高度较高的结构类型 ,

例如钢筋混凝土框架结构房屋高度超限时 , 可改 用框架 - 剪力墙结构 。 ( 2 ) 应验算结构整体抗倾覆稳定性 ,要验算桩 基在侧向力最不利组合情况下桩身是否会出现拉 力或过大的压力 。应进行风荷载或地震作用下的 舒适度验算 。要控制顶点位移及层间侧移 。当侧 移满足不了要求时 ,可考虑利用建筑设备层和避难 层空间 ,沿竖向设置若干层伸臂桁架或腰桁架 。 ( 3 ) 适当降低底部竖向构件在最不利荷载组 合下的轴压比并加强配筋 。当轴压比满足不了要 求且构件断面再增大有困难时 , 可采用钢或其他 组合构件与混凝土共同组成的结构 。
5. 2 　 平面规则性超限建筑的设计要点

竖向规则性超限的情况包括立面收进 (图 4 ( a) ) 、 立面悬挑 (图 4 ( b ) ) 、 立面 开大 洞 (图 4 ( c) ) 、 连体 (图 4 ( d ) ) 、 多塔楼 (图 4 ( e ) ) 、 带转换 层、 带加强层等 。下面简要介绍某些竖向规则性 超限情况的设计要点 。 1 )立面收进的设计要点 ( 1 )对于立面收进较多的 、 超过《高层混凝土 结构规程 》 立面收进限值条件的结构 , 在可能的 情况下 ,宜采用台阶形多次内收的立面 。 ( 2 )对于立面收进幅度过大引起的超限 , 当 楼板开洞且平面比较规则时 , 在计算分析模型中 可以采用刚性楼板的假定 , 一般情况下可以采用 振型分解反应谱法进行计算 。结构分析的重点应 是检查结构的位移有无突变 , 结构刚度沿高度的 分布有无突变 ,结构的扭转效应是否能控制在合

平面不 规则 的情况 包 括 凹 凸 不 规 则 (图 3 ( a) , ( b) ) 、 楼板局部不连续 (图 3 ( c ) , ( d ) ) 和扭 转不规则 。其中图 3 ( d ) 为错层造成的楼板局部 不连续 。 ( 1 )当平面过于不规则 、 楼板联系过弱 , 或当 建筑物超长时 ,可通过设置变形缝将结构分成若 干个子结构 。对结构扭转效应明显的超限高层建 筑 , 应尽量使抗侧力构件在平面布置中对称 、 均 匀 ,避免过大偏心 ,并应尽量加大外围竖向构件的 抗侧刚度和强度 。

Structural Engineers Vol 23 , No. 5 .

?4?

Study of Design M ethod 　

理范围内 。如果存在立面收进部位比较高 、 收进 程度比较大或偏心收进比较严重的情况 , 应补充

进行静力非线性分析和时程分析 , 验证结构的抗 震性能 ,确定结构的薄弱部位 。

图 4 　竖向规则性超限的几种情况

　　 ( 3 )应加大立面收进处构件截面尺寸或增加 配筋 ,以增加构件的延性 ,保证在地震作用下不丧 失竖向承载力 。结构立面收进如果造成偏心 , 底 部结构会因扭转效应的影响而内力加大 , 底部结 构的周边构件应加强配筋 。当收进层在房屋顶层 时 ,整层的竖向构件宜适当加强 ,以应对顶层可能 产生的鞭梢效应 。 2 )带转换层高层建筑的设计要点 ( 1 )尽量避免多级复杂转换 。优先采用梁式 转换 ,慎重采用厚板转换 。应尽量强化和提高转 换层下部结构侧向刚度 、 抗震承载能力和延性 。 应控制转换层的设置高度 。 ( 2 )结构分析时除了检查结构位移和刚度有 无突变外 ,还要重点检查框支柱所承受的地震剪 力和轴压比 。必要时可采用有限元方法对转换结 构进行局部补充计算 。整体结构宜进行弹性时程 分析补充计算和弹塑性时程分析校核 。 ( 3 )要采取有效措施减少转换层上 、 下结构 等效剪切刚度和承载能力的突变 。要加强转换层 楼板 、 转换构件 、 框支梁 、 框支柱 、 框支层上部剪力 墙 (包含筒体 ) 及落地剪力墙 (包含筒体 ) 的抗震 构造措施 。 3 )连体高层建筑的设计要点 ( 1 )应控制连体部位的层数 , 一般情况下连 体部位的层数不宜过多 。连接体下的两个塔楼的 层刚度不宜相差太大 。 ( 2 )连体结构体型特殊 , 连接部位受力复杂 , 对连接体部分应采用弹性楼盖进行计算 。水平地 震作用计算时 ,要考虑偶然偏心的影响 ,并宜进行 双向地震作用验算 , 重点关注结构因特有的体型 带来的扭转效应 。 8 度抗震设计时 , 连体结构的 连接体应考虑竖向地震动的影响 。在风荷载作用 下 ,要注意各塔楼之间的狭缝效应对结构带来的 影响 。

( 3 )连接体结构自身重量应尽量减轻 , 因此

应优先采用钢结构 ,也可采用型钢混凝土结构等 。 为保证连接处与两侧塔楼的有效连接 , 连接体结 构与主体结构宜采用刚性连接 。连接体结构与主 体结构非刚性连接时 , 支座滑移量应能满足两个 方向在罕遇地震作用下的位移要求 。应加强连接 体以下塔楼内侧和外围构件的强度和延性 。 4 )多塔楼高层建筑的设计要点 ( 1 )多塔楼建筑结构各塔楼的层数 、 平面和 刚度宜接近 , 塔楼对底盘宜对称布置 。塔楼结构 与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的 20 % 。抗震设计时 , 转换层不宜设置在底盘屋面 的上层塔楼内 ; 否则 ,应采取有效的抗震措施 。 ( 2 )多塔楼建筑计算分析的要点是裙房的整 体性和裙房协调上部多塔楼变形的能力 。一般情 况下裙房的楼板在计算模型中应按弹性楼板处 理 ,每个塔楼的楼层可以考虑为一个刚性楼板 ,计 算时整个计算体系的振型数不应小于 18 个 。当 裙房楼板削弱较多 , 以至于不能协调多塔楼共同 工作时 ,可以按单个塔楼进行简化计算 。 ( 3 )为保证多塔楼建筑结构底盘与塔楼的整 体作用 ,底盘屋面楼板厚度不宜小于 150 mm , 并 应加强配筋构造 ; 底盘屋面上 、 下层结构的楼板也 应加强构造措施 。抗震设计时 , 多塔楼之间裙房 连接体的屋面梁应予以加强 ; 塔楼中与裙房连接 体相连的外围柱和剪力墙的配筋也应予以加强 。

参考文献
[ 1 ]　 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 [ S ]. 2006. [ 2 ]　 吕西林 . 超限高层建筑工程抗震设计指南 [M ].

上海 : 同济大学出版社 , 2005.
(下转第 18 页 )

Structural Engineers Vol 23 , No. 5 .

?1 8 ?

Structural Analysis　

N 代表轴力 ,以拉力为正 ,压力为负 ; M 代表弯矩 ,

以截面下缘受拉为正 ,受压为负 。

算 , 以区分不同施工工况下 , 结构的应力空间分 布。 ( 2 ) 计算结果表明 ,在恒载作用下 ,全桥沿横 向会发生应力不均匀的现象 , 具体表现在靠近拱 肋处应力 、 挠度较小 ,远离拱肋处应力 、 挠度较大 , 因此 ,需要通过张拉横向预应力调整结构的应力 和挠度 。 ( 3 )采用基于全实体单元模型的计算结果与 现场测试数据对比 ,基本相近 ,说明整个计算过程 是符合实际情况的 , 这也为今后类似桥梁的设计 和施工提供指导 。

图 7　 主梁跨中处断面纵桥向应力沿横桥向分布 　 1 表
部位 拱脚
L / 4 截面

参考文献
[ 1 ]　 韩大建 ,梁立农 ,徐郁峰 ,等 . 珠江大桥有限元仿真

拱肋各截面内力值 (工况 5)
N / kN - 50 192 - 44 695 - 41 180

内力 M / ( kN ?m )
- 4 527 1 911 674

分析 [ J ]. 桥梁建设 , 2004 , ( 3 ) : 34 - 37.
e =M /N 0. 09 0. 04 0. 02

[ 2 ]　 钟建聪 ,李新平 . 空间系杆拱桥吊杆张拉控制的研

究 [ J ]. 广东公路交通 , 2004 , ( 2 ) : 1 - 4.
[ 3 ]　 陈宝春 . 钢管混凝土拱桥设计与施工 [M ]. 北京 :

拱顶

人民交通出版社 , 1999.

6　 　 结 论
( 1 ) 对于单片拱的系杆拱桥 , 由于其空间力

[ 4 ]　 张立明 . A lgor、 Ansys在桥梁工程中的应用方法与

实例 [M ]. 北京 : 人民交通出版社 , 2003.
[ 5 ]　 谭建国 . 使用 ANSYS 6. 0 进行有限元分析 [M ]. 北

京 : 北京大学出版社 , 2002.

学效应明显 ,须进行空间的全实体单元模型计
(上接第 4 页 )

[ 3 ]　 徐培福 ,王亚勇 ,戴国莹 . 关于超限高层建筑工程

建筑工业出版社 , 2005.
[ 7 ]　 林树枝 . 超限高层建筑抗震设计及抗震审查 [ J ].

抗震设防审 查 的 若 干 讨 论 [ J ]. 土 木 工 程 学 报 ,
2005 , 37 ( 1 ) : 1 - 6.

福建建筑 , 2005 , 5; 6: 189 - 192.
[ 8 ]　 中华人民共和国建设部 . GB 50011 - 2001 建筑抗

[ 4 ]　 上海市建委科学技术委员会 . 上海市超限高层建

筑工程抗震设防专项审查选编 [M ]. 2006 , 2007.
[ 5 ]　 吕西林 ,李学平 . 超限高层建筑工程抗震设计中的

震设计 规 范 [ S ]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ,
2001.

若干问题 [ J ]. 建筑结构学报 , 2002 , 23 ( 2 ) : 13 18.

[ 9 ]　 中华人民共和国建设部 . JGJ 3 - 2002 高层建筑混

凝土结构技术规程 [ S ]. 北京 : 中国建筑工业出版 社 , 2002.

[ 6 ]　 徐培福 . 复杂高层建筑结构设计 [M ]. 北京 : 中国



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