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摘要：本文结合工程实例，阐述了该工程的超限情况及相应的结构设计思路，在理论分析与概念设计的前提下，采用建筑抗震性能化设计方法，针对设计过程中发现的问题，作出了相应的改进措施，优化结构，最终达到超限设计要求。
关键词：超限，结构抗震设计，优化措施
Abstract: combining with engineering examples, this paper expounds the engineering and the structure of the off-gauge corresponding design thinking, in the theoretical analysis and the concept design, under the premise of the performance-based design buildings aseismic method, in view of the problems found in the design process, and has made the corresponding improvement measures, optimize the structure, achieve finally overrun the design requirements.
Keywords: overrun, structure seismic design, optimization measures
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1、高层建筑的概述
在古代人们就开始建造高层建筑，比如埃及的亚历山大港灯塔，高100 多米，为石结构。现代高层建筑发展迅速，在大中城市随处可见。高层建筑是指超过10 层的住宅建筑和超过24 米高的其他民用建筑。高层建筑可以带来明显的社会经济效益；首先，使人口集中，可利用建筑内部的竖向和横向交通缩短部门之间的联系距离，从而提高效率；其次能使大面积建筑的用地大幅度缩小，有可能在城市中心地段选址；第三，可以减少市政建设投资和缩短建筑工期。由于高层建筑的高度比较高，所以解决水平抗剪问题成为关键，而抗震是解决水平抗剪
问题的一个重要因素。然而对于不同的结构形式，同一设防烈度下，抵抗地震能力有很大区别，因此选择合适的结构形式对于高层建筑尤为重要。
2、超限高层建筑抗震设计思想
国内外对建筑抗震进行了大量的研究，抗震设计理念也有多种，但是现在比较常用的主要有：概念设计和基于位移的抗震设计。
2．1概念设计
概念设计是相对于数值设计而言着眼于结构的总体地震反应，可以理解为运用人的思维和判断能力，从宏观上决定结构设计中的基本问题。抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。高层建筑形状力求规则和简单、建筑结构尽量对称、
设置防震缝及尽可能满足建筑竖向均匀性。前三种易于理解，以下就着蘑介绍建筑竖向均匀性问题。均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化，其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。不均勻布置会产生了刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。结合工程实际，其均匀性问题主要表现如下：
(1)填充墙设置的影响。框架内的填充墙若设置不当，地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。例如，由于填充墙设置不当，可使框架柱形成短柱而造成破坏。为此，应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。
(2)抗震墙不连续。由于建筑上的需要，可能出现上下不连续的抗震墙，这就产生了不均匀性。为此，应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。
3、工程概况
本项目建筑用地面积4930m2，总建筑面积为16687m2，地上11层，地下2层，建筑总高度为42.00米。本工程为框架-抗震墙结构，设计基准期50年，抗震设防类别为丙类，设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，地震分组为第一组，Ⅱ类场地，特征周期0.35s。结构整体模型见图1
图1结构整体模型
3．2地震危险性分析与地震波的选定
根据地质资料进行地震危险性分析，其结果为场区基本烈度(50 a超越概率为10％)为7度，基岩加速度为118．9 cm／s2；在多遇地震(50 a超越概率为63％)作用下，其烈度为6度，相应基岩加速度为31．2 cm／s2；在罕遇地震时(50 a超越概率为3％)烈度为7．7度，相应基岩加速度220 cm／s2．与国家地震局、建设部《中国地震烈度区划图(1999)使用规定的通知》中，中山市区设防基本烈度为7度相一致。根据地震危险性分析场区属近场地震效应，但根据国内外大量震害资料表明，软弱场地长周期地震作用对超高层最不利．并考虑到地震发生有较大的随机性，因此选择远震一长周期多遇地震强震记录进行地震反应分析．场地地震波的选定，按地震危险性分析结果，近震所确定的“基岩”加速度峰为输入，以现行规范㈨“基岩”反应谱为目标谱，拟合人工波作为地震反应分析的输入地震波，在埋深16 m处，分别选择近震多遇地震人工波HJl、符合场地近震特征的近震多遇地震强震记录HJ2(w．NASHINGON地震OLYMAPIA台站)和远震多遇强震记录HJ3(天津宁河波天津医院台站)．在埋深9 m及地面处，同样选择上述3种地震波，但加速度、速度和位移峰值不同．表1-1列出了不同埋深处所选定的地震波的加速度、速度和位移峰值，表1-2列出了各地震波的归一化水平地震影响系数及特征周期。
表1-1不同埋深处所选定的地震波加速度和位移峰值
表1-2地震波的归一化水平地震影响系数及特征周期
3.3抗震设防要求
《抗规》的三个水准的设防要求，即“小震可修，中震不坏，大震不倒”。它是通过二阶段设计来实现的，（如表2抗震设防目标要求）。
1 按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合演算结构构件的承载能力，以及在小震作用下演算结构的弹性变性。
2在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。第二水准抗震设防目标的要求，是以抗震构造措施来保证的。
3.4、超限设计分析
本工程采用两个不同力学模型的空间分析程序进行计算对比分析，选用SATWE软件（简化墙元模型，2010版）和GSSAP软件（细分墙元模型，15.0版）。
3.1针对结构存在局部跨度16.8m转换梁柱情况，采用振型分解反应谱方法计算竖向地震作用效应。结果表明在竖向地震作用下，转换柱轴压比及梁柱配筋均满足要求。
3.2为了提高框架作为第二道防线的抗震承载力及性能，框架抗震等级提高一级，轴压比限值也相应提高。
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设计，计算分析很重要，但计算不是结构设计的全部内容。现有的各种计算模型都是基于各种假定下作必要的简化处理才得以实现的，其计算结果有的不一定是结构真实受力状态的反映；对于实际工程中出现的各种各样的复杂结构形式，现有的计算模型也不是都能适用的。因此在设计高层结构时，一方面应重视结构的计算，但也不应过于依赖计算和盲目应用计算结果，应从工程结构的基本力学和抗震概念出发，对计算结果认真加以分析；应重视结构的概念设计，重视工程实践经验的应用。对钢筋混凝土结构来说，最大的矛盾是结构的内力按不变刚度的弹性理论进行计算，而构件截面承载力按允许进入
裂缝状态下的弹塑性理论进行计算，两者的计算结果是互不协调的。如对于框架一核心筒高层结构，由于竖向荷载作用下墙、柱之间轴向变形的差异较大，临近核心筒的框架柱计算轴力往往偏小，而连接墙与柱之间的框架梁配筋往往很大，甚至超筋。若在計算梁截面配筋时，对梁端弯矩进行调幅，将使梁与核心筒的连接节点刚度退化，与计算模型不相一致，造成柱的实际内力超出按弹性分析的计算轴力，如不加分析地采用计算结果，会导致柱及柱下基础的设计偏于不
安全。
5、超限优化措施
5.1通过提高关键部位及底部剪力墙墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。首先，通过提高约束边缘构件的配箍率、竖向分布筋配筋率等措施提高第一道防线的承载能力，其次，框架部分的抗震等级和轴压比限值按框架结构的规定取用，以提高第二道防线的承载能力[5~7]。
5.2根据计算结果对楼板边缘、转角等应力集中的地方进行加强，特别是平面细腰部位楼板加厚为150mm，配置45度斜向钢筋，并适当加强边梁配筋。
5.3针对本工程尺寸突变等竖向不规则的情况，适当增加结构的振型数，以考虑高阶振型的影响，并适当加大收进处上下层的竖向构件和水平构件的最小配筋率，相关竖向构件箍筋全长加密。
5.4扭转不规则使主体结构薄弱部位通常出现在整体结构边缘区域，设计时采取减小边缘结构竖向构件轴压比、剪压比及提高配箍率、配筋率等措施，提高结构延性，避免脆性破坏[8]。特殊情况下，还可以增设芯柱，以提高柱子的延性。
5.5转换构件范围内楼板厚度取180mm，通过考虑竖向地震和全楼弹性的模型对转换柱与转换梁进行分析，同时确保中震下其满足抗弯不屈服，抗剪弹性，大震下处于不屈服状态。
5.6跨层柱考虑二阶效应的影响，确保中震下抗弯不屈服，抗剪弹性。
5.7采用中震和小震作用下弹性楼板应力分析，以考虑跨层及错层墙柱的实际受力情况。
结束语
由此可见，超限高层建筑结构设计是一项非常长期、复杂的工作，它对结构工程师既要有扎实的理论功底,又要有丰富的工程设计经验，并且结合概念设计，这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠、又经济、合理。所以，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。
参 考 文 献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 甘丹, 张敬书等. 细腰复杂截面高层建筑抗震性能分析[J]. 西北地震学报, 2008（4）
[3] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
[4] 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, 2009
[5] 赵耀普, 卫文. 招商酒店抗震设计[J]. 建筑科学, 2011
[6]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，2005．88—89．
[7]陈桂宝．某超限高层的结构设计[J]．山西建筑，2007，33(8)：68—69．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：超限，结构抗震设计，优化措施
Abstract: combining with engineering examples, this paper expounds the engineering and the structure of the off-gauge corresponding design thinking, in the theoretical analysis and the concept design, under the premise of the performance-based design buildings aseismic method, in view of the problems found in the design process, and has made the corresponding improvement measures, optimize the structure, achieve finally overrun the design requirements.
Keywords: overrun, structure seismic design, optimization measures
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1、高层建筑的概述
在古代人们就开始建造高层建筑，比如埃及的亚历山大港灯塔，高100 多米，为石结构。现代高层建筑发展迅速，在大中城市随处可见。高层建筑是指超过10 层的住宅建筑和超过24 米高的其他民用建筑。高层建筑可以带来明显的社会经济效益；首先，使人口集中，可利用建筑内部的竖向和横向交通缩短部门之间的联系距离，从而提高效率；其次能使大面积建筑的用地大幅度缩小，有可能在城市中心地段选址；第三，可以减少市政建设投资和缩短建筑工期。由于高层建筑的高度比较高，所以解决水平抗剪问题成为关键，而抗震是解决水平抗剪
问题的一个重要因素。然而对于不同的结构形式，同一设防烈度下，抵抗地震能力有很大区别，因此选择合适的结构形式对于高层建筑尤为重要。
2、超限高层建筑抗震设计思想
国内外对建筑抗震进行了大量的研究，抗震设计理念也有多种，但是现在比较常用的主要有：概念设计和基于位移的抗震设计。
2．1概念设计
概念设计是相对于数值设计而言着眼于结构的总体地震反应，可以理解为运用人的思维和判断能力，从宏观上决定结构设计中的基本问题。抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。高层建筑形状力求规则和简单、建筑结构尽量对称、
设置防震缝及尽可能满足建筑竖向均匀性。前三种易于理解，以下就着蘑介绍建筑竖向均匀性问题。均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化，其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。不均勻布置会产生了刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。结合工程实际，其均匀性问题主要表现如下：
(1)填充墙设置的影响。框架内的填充墙若设置不当，地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。例如，由于填充墙设置不当，可使框架柱形成短柱而造成破坏。为此，应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。
(2)抗震墙不连续。由于建筑上的需要，可能出现上下不连续的抗震墙，这就产生了不均匀性。为此，应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。
3、工程概况
本项目建筑用地面积4930m2，总建筑面积为16687m2，地上11层，地下2层，建筑总高度为42.00米。本工程为框架-抗震墙结构，设计基准期50年，抗震设防类别为丙类，设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，地震分组为第一组，Ⅱ类场地，特征周期0.35s。结构整体模型见图1
图1结构整体模型
3．2地震危险性分析与地震波的选定
根据地质资料进行地震危险性分析，其结果为场区基本烈度(50 a超越概率为10％)为7度，基岩加速度为118．9 cm／s2；在多遇地震(50 a超越概率为63％)作用下，其烈度为6度，相应基岩加速度为31．2 cm／s2；在罕遇地震时(50 a超越概率为3％)烈度为7．7度，相应基岩加速度220 cm／s2．与国家地震局、建设部《中国地震烈度区划图(1999)使用规定的通知》中，中山市区设防基本烈度为7度相一致。根据地震危险性分析场区属近场地震效应，但根据国内外大量震害资料表明，软弱场地长周期地震作用对超高层最不利．并考虑到地震发生有较大的随机性，因此选择远震一长周期多遇地震强震记录进行地震反应分析．场地地震波的选定，按地震危险性分析结果，近震所确定的“基岩”加速度峰为输入，以现行规范㈨“基岩”反应谱为目标谱，拟合人工波作为地震反应分析的输入地震波，在埋深16 m处，分别选择近震多遇地震人工波HJl、符合场地近震特征的近震多遇地震强震记录HJ2(w．NASHINGON地震OLYMAPIA台站)和远震多遇强震记录HJ3(天津宁河波天津医院台站)．在埋深9 m及地面处，同样选择上述3种地震波，但加速度、速度和位移峰值不同．表1-1列出了不同埋深处所选定的地震波的加速度、速度和位移峰值，表1-2列出了各地震波的归一化水平地震影响系数及特征周期。
表1-1不同埋深处所选定的地震波加速度和位移峰值
表1-2地震波的归一化水平地震影响系数及特征周期
3.3抗震设防要求
《抗规》的三个水准的设防要求，即“小震可修，中震不坏，大震不倒”。它是通过二阶段设计来实现的，（如表2抗震设防目标要求）。
1 按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合演算结构构件的承载能力，以及在小震作用下演算结构的弹性变性。
2在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。第二水准抗震设防目标的要求，是以抗震构造措施来保证的。
3.4、超限设计分析
本工程采用两个不同力学模型的空间分析程序进行计算对比分析，选用SATWE软件（简化墙元模型，2010版）和GSSAP软件（细分墙元模型，15.0版）。
3.1针对结构存在局部跨度16.8m转换梁柱情况，采用振型分解反应谱方法计算竖向地震作用效应。结果表明在竖向地震作用下，转换柱轴压比及梁柱配筋均满足要求。
3.2为了提高框架作为第二道防线的抗震承载力及性能，框架抗震等级提高一级，轴压比限值也相应提高。
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设计，计算分析很重要，但计算不是结构设计的全部内容。现有的各种计算模型都是基于各种假定下作必要的简化处理才得以实现的，其计算结果有的不一定是结构真实受力状态的反映；对于实际工程中出现的各种各样的复杂结构形式，现有的计算模型也不是都能适用的。因此在设计高层结构时，一方面应重视结构的计算，但也不应过于依赖计算和盲目应用计算结果，应从工程结构的基本力学和抗震概念出发，对计算结果认真加以分析；应重视结构的概念设计，重视工程实践经验的应用。对钢筋混凝土结构来说，最大的矛盾是结构的内力按不变刚度的弹性理论进行计算，而构件截面承载力按允许进入
裂缝状态下的弹塑性理论进行计算，两者的计算结果是互不协调的。如对于框架一核心筒高层结构，由于竖向荷载作用下墙、柱之间轴向变形的差异较大，临近核心筒的框架柱计算轴力往往偏小，而连接墙与柱之间的框架梁配筋往往很大，甚至超筋。若在計算梁截面配筋时，对梁端弯矩进行调幅，将使梁与核心筒的连接节点刚度退化，与计算模型不相一致，造成柱的实际内力超出按弹性分析的计算轴力，如不加分析地采用计算结果，会导致柱及柱下基础的设计偏于不
安全。
5、超限优化措施
5.1通过提高关键部位及底部剪力墙墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。首先，通过提高约束边缘构件的配箍率、竖向分布筋配筋率等措施提高第一道防线的承载能力，其次，框架部分的抗震等级和轴压比限值按框架结构的规定取用，以提高第二道防线的承载能力[5~7]。
5.2根据计算结果对楼板边缘、转角等应力集中的地方进行加强，特别是平面细腰部位楼板加厚为150mm，配置45度斜向钢筋，并适当加强边梁配筋。
5.3针对本工程尺寸突变等竖向不规则的情况，适当增加结构的振型数，以考虑高阶振型的影响，并适当加大收进处上下层的竖向构件和水平构件的最小配筋率，相关竖向构件箍筋全长加密。
5.4扭转不规则使主体结构薄弱部位通常出现在整体结构边缘区域，设计时采取减小边缘结构竖向构件轴压比、剪压比及提高配箍率、配筋率等措施，提高结构延性，避免脆性破坏[8]。特殊情况下，还可以增设芯柱，以提高柱子的延性。
5.5转换构件范围内楼板厚度取180mm，通过考虑竖向地震和全楼弹性的模型对转换柱与转换梁进行分析，同时确保中震下其满足抗弯不屈服，抗剪弹性，大震下处于不屈服状态。
5.6跨层柱考虑二阶效应的影响，确保中震下抗弯不屈服，抗剪弹性。
5.7采用中震和小震作用下弹性楼板应力分析，以考虑跨层及错层墙柱的实际受力情况。
结束语
由此可见，超限高层建筑结构设计是一项非常长期、复杂的工作，它对结构工程师既要有扎实的理论功底,又要有丰富的工程设计经验，并且结合概念设计，这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠、又经济、合理。所以，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。
参 考 文 献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 甘丹, 张敬书等. 细腰复杂截面高层建筑抗震性能分析[J]. 西北地震学报, 2008（4）
[3] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
[4] 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, 2009
[5] 赵耀普, 卫文. 招商酒店抗震设计[J]. 建筑科学, 2011
[6]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，2005．88—89．
[7]陈桂宝．某超限高层的结构设计[J]．山西建筑，2007，33(8)：68—69．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。