超高層結構抗震設計方案中若干問題的探討

1、超高層結構抗震設計中若干問題的探討趙楠（北京三磊建筑設計有限公司，北京，100048）摘要針對超高層結構抗震設計實踐，對振型譜的應用、抗震設防分類、彈塑性位移角統(tǒng)計方法、過渡區(qū)的設置原則、特征周期 的取值方法及最小剪重比調整方法等設計關鍵環(huán)節(jié)進行了探討，歸納總結了超高層結構設計專項審查中針對這些問題的解決思路。關鍵詞超高層結構；振型譜；彈塑性；過渡區(qū)；特征周期；剪重比中圖分類號：TU973 + .31文獻標志碼:AExploration of some questions on seismic design of super high-rise structureZhao Nan(Beijin

2、g Sunlay LTD, Beijing 100048,China)Abstract: To aim at practice on seismic design of super high-rise structure, we have made exploration for the key links of the design such as the application of vibration spectrum, the classification of seismic fortification, statistical method of elastic-plastic d

3、isplacement angle, setting principle of transition region, the method of obtaining numerical values for characteristic period, adjusting measure of minimum shear-weight ratio and so on, have summarized solution for these questions in special review on design of super high-rise structure. Keywords: s

4、uper high-rise structure; vibration spectrum; elastic-plastic; transition region; characteristic period; shear-weight ratio0引言近年來，隨著結構材料及設計方法的不斷進步， 我國的超高層建筑發(fā)展十分迅速，建筑高度被不斷刷 新。由于超高層項目的特殊性，抗震設計應采取更為 嚴格的技術措施以保證安全。當前我國的高層建筑抗 震設計規(guī)范、規(guī)程較為完善，但其有一定的適用范圍， 主要是針對常規(guī)結構，然而對于超出規(guī)范、規(guī)程適用 范圍的超高層建筑結構，對其進行抗震分析時有哪些 特殊規(guī)定是設計

5、人員普遍關心的問題。本文結合超高層結構設計實踐，歸納總結了超高 層抗震審查過程中專家意見及建議，尤其是設計人員 易混淆的結構設計概念，對超高層抗震分析的若干關 鍵問題進行探討13。1地震安全性評價報告中振型譜的應用地震安全性評價是根據(jù)對建設工程場址和場址周 圍地震安全性評價的地震與地震地質環(huán)境的調查，場 地地震工程地質條件勘測，通過地震地質、地球物理、 地震工程等多學科資料的綜合評價和分析計算，按照 工程類型、性質、重要性，科學合理地給出與工程抗 震設防要求相應的地震動參數(shù)，以及場址的地震地質 災害預測結果。地震安全性評價工作的主要內容包括: 工程場地和場地周圍區(qū)域的地震活動環(huán)境評價、地震 地

6、質環(huán)境評價、斷裂活動性鑒定、地震危險性分析、 設計地震動參數(shù)確定、地震地質災害評價等。根據(jù)國務院令第 323號需對國家及地方的重大工 程等進行地震安全性評價。通常情況下，超高層屬于 超限結構，均需在初步設計前進行場地的地震安全性 評價。有關部門依據(jù)工程場地地震安全性評價 GB17741-2005的要求向設計單位提供地震安全性評 價報告。其中較為重要的是場地的振型譜即“安評譜” 及設計地震動參數(shù)。 設計地震動參數(shù)形式如表 1所示。表1安評譜地震動參數(shù)樣式Table1 Seismic safety evaluation report of ground motion parameters地震烈度超

7、越概率Tg/s2Amax/cm/sa max多遇地震63%0.38470.125設計地震10%0.351310.401罕遇地震2%0.402050.627安評譜的正確使用是準確進行地震作用內力標準 值確定的前提，而設計人員常常只重視設計地震動參 數(shù)列表而忽視報告中提供的安評譜曲線。設計實踐中 常常應用安評譜的設計地震動參數(shù)對規(guī)范譜進行調整 后輸入計算程序確定地震內力，這種做法是不妥的。 如圖1所示曲線，使用安評報告設計地震動參數(shù)調整 規(guī)范譜計算時，會提高結構承擔的地震作用，尤其超 高層結構的自振周期較長，從圖1可以看出，高周期段地震影響系數(shù)的相對差異更為明顯。假定結構自振 周期為5s時，地震影

8、響系數(shù)見表 2所示。規(guī)范譜調整 后的地震影響參數(shù)較之安評譜提高了約27%，相應計算的地震作用也將提高。表2地震動參數(shù)對比Table2 Ground motion parameters contrast參數(shù)地震影響參數(shù)相對比例規(guī)范譜0.014100%規(guī)范譜+安評參數(shù)0.022157%安評譜0.0173124%圖1振型譜對比曲線Fig.1 The modal spectral contrast curve2結構單元劃分的一個重要影響因素結構縫（伸縮縫、沉降縫、防震縫）的設置，應 根據(jù)建筑結構平面和豎向布置的情況、地基情況、基 礎類型、結構剛度及抗震要求和荷載作用的差異等條 件綜合考慮，通常情況下，

9、應調整建筑平面尺寸和結 構布置，采取必要的構造和施工措施，能不設縫就不 設縫，能少設縫就少設縫。設計實踐中，超高層建筑與裙房間通常形成一個 整體，以提高結構的整體剛度，對結構的抗扭剛度、 位移角等均會產(chǎn)生有利影響。但同時，有一個重要的 影響因素易被忽略，即結構單元內經(jīng)常使用人數(shù)。根 據(jù)建筑工程抗震設防分類標準GB50223-2008中條文規(guī)定，高層建筑中，當結構單元內經(jīng)常使用 人數(shù)超過8000人時，抗震設防類別宜劃為重點設防類。超高層建筑因其結構的重要性，宜偏嚴控制。所 以當主樓與大面積裙房相連，且主樓高度較高，主要 使用功能為住宅時，結構單元內經(jīng)常使用人數(shù)容易突 破8000人。因此建議設計人

10、員在主裙間是否設縫問題 的討論上，應該對這個重要因素加以重視。3筒體結構中框架部分承擔的地震剪力比例根據(jù)高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ3-2010中條文規(guī)定，筒體結構中框架部分分配的樓層 地震建立標準值的最大值不宜小于結構底部總地震剪 力標準值的10%。當不滿足時，規(guī)范也提供了一個調整方法：各層框架部分承擔的地震剪力標準值應增大 到結構底部總地震剪力標準值的15% ;與此同時，各層核心筒墻體的地震剪力標準值宜乘以增大系數(shù)1.1,但可不大于結構底部總地震剪力標準值，墻體的抗震 構造措施應按抗震等級提高一級后采用，已為特一級 的可不再提高。有加強層時，框架部分剪力的統(tǒng)計不 包括加強層及其上、下層

11、。規(guī)范的這款條文體現(xiàn)了抗震多道防線的設計理 念，即框架作為第二道設防防線相對于第一道防線的 核心筒不能太弱。如果框架部分太弱，則需對第一道 防線加以更為嚴格的措施要求。規(guī)范提供了各層框架部分地震剪力標準值最大值 小于總剪力標準值 10%時的應對措施，在一般高層建 筑設計中是適用的，但在超高層設計實踐中，由于地 震作用程度較高，核心筒大面積開裂剛度下降時，框 架部分會承擔過大的地震作用，可能會出現(xiàn)不可預見 的重大損失。因此在多項工程的超限審查過程中，均 要求筒體結構中各層框架部分的最大地震剪力標準值 必須滿足底部總地震剪力標準值的10%。若在某些特殊情況下，確不能滿足時，框架的承擔比例可略小于

12、10%，且必須針對不同的結構構件提出較高的性能目 標，不能簡單的按照規(guī)范條文執(zhí)行。4彈塑性位移角的統(tǒng)計方法超高層建筑結構設計過程的一個重點環(huán)節(jié)就是分 析結構在罕遇地震作用下的彈塑性位移角，體現(xiàn)了三 階段水準設計的精神。影響彈塑性位移角計算結果的因素很多，現(xiàn)階段，其計算值的離散性與承載力計算的離散性相比較大。 多遇地震設計中，考慮到小震彈性時程分析的波形樣 本數(shù)量較少，而且計算的位移多數(shù)明顯小于反應譜發(fā) 的計算結果，需要以反應譜法為基礎進行對比分析。 罕遇地震彈塑性時程分析時，由于阻尼的處理方法不 夠完善，波形的數(shù)量很有限（一般不多于7條），直接將計算出的彈塑性位移角最為結構最終的彈塑性位移 角

13、是不妥的，不具備統(tǒng)計意義 。因此國內的專家學者 提出了以下的修正方法：用同一軟件、同一波形進行多遇地震彈性和罕遇 地震彈塑性的計算，得到同一波形、同一部位彈塑性 位移（層間位移）與多遇地震彈性位移 （層間位移）的比值，然后將此比值取平均（7條波）或包絡（3條波），再 乘以反應譜法計算的該部位多遇地震位移 （層間位移）, 從而得到罕遇地震下該部位的彈塑性位移（層間位移）的參考值。此方法的核心思路是在波形樣本數(shù)有限的情況 下，盡可能通過修正使其具備一定的統(tǒng)計意義。5過渡區(qū)的概念與應用高層結構設計中，有底部加強區(qū)及一般部位兩個 概念，底部加強區(qū)由于其重要性，設防要求通常高于 一般部位，底部加強區(qū)的范

14、圍規(guī)范中有明確要求。超高層結構設計中由于房屋高度很高，底部加強 區(qū)相對于整體結構而言占比很小，若參照一般高層結 構設計，則不滿足剛度及承載力漸變的設計理念，需 要在底部加強區(qū)與一般部位間設置一個過渡區(qū)，其要 求低于底部加強區(qū)，但高于一般部位。過渡區(qū)的設置 還體現(xiàn)了增強結構延性的思想。現(xiàn)行規(guī)范中未明確過渡區(qū)的概念及設計方法。結 合多項超高層設計過程中的審查專家意見，過渡區(qū)的 設置通常參照主要抗側力構件即重要鋼筋混凝土剪力 墻的軸壓比。這是由于墻體軸壓比反映了構件的延性， 軸壓比越高則延性相對越差。結合設計實踐，過渡區(qū)的范圍通常取為：底部 加強區(qū)以上至墻柱軸壓比不大于某一數(shù)值（通常取為 0.250

15、.35 ）的樓層；高度同底部加強區(qū)高度。二者 取較大值。對于過渡區(qū)也應設定相應的性能目標，但可低于 底部加強區(qū)。如，底部加強區(qū)按中震彈性設計時，過 渡區(qū)可按中震不屈服復核；底部加強區(qū)按中震彈性抗 剪，中震不屈服抗彎設計時，過渡區(qū)可按中震不屈服 抗剪設計。由于過渡區(qū)未有明確規(guī)定，屬于概念設計范疇， 因此設計人員可根據(jù)經(jīng)驗自行設定過渡區(qū)范圍，并制 訂相應的抗震性能目標。6設計特征周期的取值設計特征周期時抗震設計中用的地震影響系數(shù)曲 線中，反映地震震級、震中距和場地類別等因素的下 降段起始點對應的周期值，簡稱特征周期。特征周期 是抗震設計中重要的動參數(shù)之一。通常情況下，地震安全性評價報告會提供建設場

16、地的特征周期數(shù)值。設計實踐中，通常在多遇地震時采用規(guī)范譜與安 評譜分析的較大值，設計地震及罕遇地震分析時采用 規(guī)范譜進行分析，即中震及大震的設計地震動參數(shù)， 包括特征周期均依據(jù)規(guī)范譜。建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2010中節(jié)中提供了各類場地類別和設計地震分組下的特征周期 數(shù)值，其是基于規(guī)范反應譜的，供設計人員依據(jù)工程 情況選用。然而對于場地類別位于分界線附近的工程， 簡單套用節(jié)中的表格就稍顯不妥。場地類別的劃分是以平均剪切波速和覆蓋層厚度 作為評定指標的雙參數(shù)分類方法。在工程地質勘察報 告中，均會提供建設場地的平均剪切波速及覆蓋層厚 度指標。當場地類別介于分界線附近時，規(guī)范允許用 插入方法

17、確定邊界線附近（指相差土15%的范圍）的Tg值。建筑抗震設計規(guī)范 GB50011-2010中條 文說明中提供了用于設計地震分組為第一組的T g等值線表格。如沈陽世茂五里河項目超高層設計中5,地質勘察報告提供的場地等效剪切波速為201229m/s,場地覆蓋層厚度平均值為 44.76m,參考建筑抗震設計規(guī)范 GB50011-2010條文說明P292頁圖7進行線性插值， 經(jīng)插值，設計地震分析采用的場地特征周期為0.39s,罕遇地震分析采用的場地特征周期為0.44s,其與規(guī)范節(jié)中表格是有區(qū)別的。7最小剪重比的應用建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2010中節(jié)對最小剪重比有明確要求。最小剪重比屬于概念設計

18、 范疇，主要為限制各樓層的最小水平地震剪力，確保 周期較長的結構的安全。剪重比是規(guī)范考慮長周期結構用振型分解反應譜 法和底部剪力法計算時，因地震影響系數(shù)取值可能偏 低，相應計算的地震作用也偏低，因此出于安全考慮， 規(guī)范規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值。若樓層水平 地震剪力小于規(guī)范對剪重比的要求，水平地震剪力的 取值應進行調整，并應按調整后的地震作用確定層間 位移角等重要結構指標。設計實踐中，多遇地震分析時要求按規(guī)范譜和安 評譜進行包絡設計，因此在使用安評譜進行分析時，尚應根據(jù)地震安全性評價報告提供的地震峰值加速度 對最小剪重比限值進行調整。并且在進行最小剪重比 復核時，應按照相應方向第一主周期進

19、行插值確定該 方向的最小剪重比。例如，參照表1的安評譜地震動參數(shù)，該工程的 最小剪重比應調整為表 3所示。表3最小剪重比調整后限值Table3 Minimum shear weight ratio after adjustment類別7 度(0.125g)扭轉效應明顯或基本周期小于3.5s的結構0.0208基本周期大于5.0s的結構0.0156圖4入射角度為20度示意Fig.4 In cide nt an gle is 20 degrees各斜向入射角分析不僅僅用于多遇地震承載力分 析，在確定扭轉位移比、層間位移角及彈塑性位移角 等重要結構指標時，均應按多個入射角分析結果綜合 設計。8地震入射

20、角建筑抗震設計規(guī)范 GB50011-2012中5.11條規(guī) 定，有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15o時，應分別計算各側力構件方向的水平地震作用。圖24表示核心筒角度為 20°的超高層結構地震入射角情況。圖2入射角度為0度示意圖9結語超高層結構的抗震設計是一項非常具有挑戰(zhàn)和重 大意義的事情，她涵蓋了性能化設計方法、概念設計 思想等諸多范疇，并隨著科學技術的進步和分析手段 的提高而不斷變化發(fā)展。要求設計人員要充分理解結 構含義，靈活運用結構概念與各項技術措施來實現(xiàn)結 構的三水準設計準則，并滿足技術與經(jīng)濟的雙重平衡 標準。本文列舉了一些在超高層結構設計實踐中容易混 淆的結構概念，并

21、針對超限審查過程中遇到的問題， 歸納了一些常用的解決方案，探討了審查專家們所提 要求的核心理念，對抗震性能設計方法的思路進行一 些總結，為將來的超高層結構設計提供一些經(jīng)驗。Fig.2 In cide nt an gle is 0 degrees圖3入射角度為-20度示意Fig.3 In cide nt an gle is -20 degrees參考文獻1 劉文革，唐圣貴，王敬河等.超限磚混結構抗震設計若干問題的探討J.工程抗震,2004,(2): 13-14Liu Wen-ge,Tang Sheng-gui,Wang Jing-he,etc. Overrun brick structure SeismicDesign IssuesJ. Earthquake Resistant Engineering,2009,(2): 13-142 鄭文，涂津，潘文.淺談復雜結構的中震設計J.工程抗震與改造加固,2009,31(5): 81-84Zheng Wen， Tu Jin， Pan Wen. Discussion on Seismic Design of ComplicatedStructure under Seismic Fortif ication IntensityJ. Ea