3capture超限高层建筑工程抗震设计指南.docx
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3capture超限高层建筑工程抗震设计指南
3超限高层建筑工程的认定和抗震概念设计
3.1建筑物高度超限的认定
建筑物高度超过表3.1.1规定高度的高层建筑工程，属高度超限的高层建筑工程。
表3.1.1高层建筑的最大适用高度（m）
结构体系
抗震设防烈度
6度
7度
8度
混凝土结构
框架
60
55
45
框架-剪力墙
130
120
100
全部落地剪力墙
140
120
100
部分框支剪力墙
120
100
80
部分短肢剪力墙
120
100
60
框架核心筒
150
130
100
筒中筒
180
150
120
板柱-剪力墙
40
35
30
错层的剪力墙和框架剪力墙
100
80
60
混合结构
钢框架-钢筋混凝土筒体
200
160
120
型钢混凝土框架钢筋混凝土筒体
220
190
150
钢结构
框架
110
110
90
框架-支撑（抗震墙板）
220
220
200
各类筒体和巨型结构
300
300
260
对表3.1.1中结构体系的说明：
1平面和竖向均不规则，或IV类场地，最大适用高度降低20%。
2近年来全国和地方规范中出现了“部分短肢剪力墙结构”的术语，但对“部分”的定义全国和地方规范中都没有给出。
根据结构分析研究和上海市的工程实践，用短肢剪力墙截面面积与同一层中所有剪力墙截面面积的比例（简称短肢墙比例），可以来近似地定义“部分短肢剪力墙”结构，并采取结构抗震设计措施。
当短肢墙比例不大于20%时，可以按全部落地剪力墙结构控制建筑物的高度，但
短肢墙部分的抗震措施仍应按短肢墙的规定执行。
当采用短肢墙比例进行判别时，应在建筑物的两个主轴方向分别计算，取较大的比例作为控制条件。
3钢筋混凝土板柱-剪力墙结构是指无内部纵梁和横梁的无梁楼盖结构，对
这种结构体系的抗震研究很少，因此设计规范中一般都对这种结构的高度限制较严。
由于目前在高层建筑中应用的无梁楼盖体系中楼板的厚度越来越大，原有的设计规定也不一定全部适用。
根据上海市的工程经验，在这种结构体系中，当楼板的厚度不小于相应跨度的1/18时，可以按框架－剪力墙结构控制建筑物的高度，但在结构设计时仍应在框架受力方向设置暗梁。
应该指出，采用较厚楼板的无梁楼板体系虽可以满足内部美观或一些特殊建筑功能的要求，但会明显增加整个结构的混凝土用量和建筑物自重，对结构抗震是不利的。
3.2高度超限控制及概念设计要求
1钢筋混凝土框架结构房屋，其高度不宜超过表3.1.1的最大适用高度。
超过时宜改用框架—剪力墙结构。
2部分短肢剪力墙结构房屋，其高度不宜超过表3.1.1的最大适用高度。
超过时宜改用框架—剪力墙结构或剪力墙结构。
3钢筋混凝土框架—核心筒结构房屋，丙类建筑的高度不宜超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）中B级高度建筑的最大适用高度，乙类建筑的超高程度宜从严控制。
接近上述超高上限时，宜在结构的底部采用劲性混凝土柱、钢管混凝土柱或者钢管与混凝土双重组合柱。
大于超高上限时，宜改变结构体系，例如改为筒中筒结构、巨型结构或钢与混凝土混合结构等。
4钢筋混凝土筒中筒结构房屋，丙类建筑的高度不宜超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）中B级高度建筑的最大适用高度，乙类建筑的超高程度宜从严控制，超过上述限值时宜改变结构类型，采用强度和延性更好的结构材料和结构体系。
3.3建筑物规则性超限的认定
下列工程为规则性超限的高层建筑工程：
1同时具有下述三项或三项以上不规则情况的高层建筑工程：
（1）楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍（计算该指标时应采用刚性楼板模型），或偏心率大于0.15，或相邻层质心相差较大；
（2）建筑平面长宽比抗震设防烈度7度时大于6.0，抗震设防烈度8度时大于5.0；
（3）结构平面凹进的长度（从按抗侧力构件截面中心线算起，设置的拉梁不能视为平面轮廓，下同）大于相应投影方向总尺寸的30%；或凸出的长度大于相应投影方向总尺寸的30%，且凸出的宽度小于相应投影方向总尺寸的30％或小于凸出长度的50%（见图3.3.1-1）；
图3.3.1-1结构平面凹进或凸出不规则示意图
（4）结构平面为角部重叠形或细腰形；
（5）楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典
型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%（见图3.3.1-2）;
图3.3.1-2楼板的尺寸或平面刚度变化不规则示意图
（6）等效剪切刚度小于相邻上层的70%，或小于其上相邻三个楼层等效剪切刚度平均值的80%（结构出现软弱层）；
（7）除顶层或高度小于主楼高度20%的裙房（辅楼）外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%（结构出现软弱层）；
（8）下部楼层水平尺寸小于上部楼层水平尺寸的0.9倍，或整体外挑尺寸大于4m；
（9）结构体系属于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3,以下简称《高规》）
第10章定义的复杂高层建筑结构：
包括带转换层的结构（抗震设防烈度7度时
转换层位于5层以下，抗震设防烈度8度时转换层位于3层以下）、带加强层结构、错层结构（错层高度600mm或梁高）、连体结构、多塔楼结构等复杂的
高层建筑（任一类型按一项不规则计）；
（10）抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80%（结构出现薄弱
层）。
注：
结构的任何楼层不能既是软弱层又是薄弱层；在计算层间受剪承载力时，
应采用实际的截面尺寸和材料强度标准值，在正负两个方向上分别计算，对于具有斜撑的楼层，其承载力不应将不同方向斜撑的承载力绝对值相加。
2不规则程度为下列情况之一的高层建筑工程：
（1）对于不含裙房的结构，较多楼层（超过总楼层数20%）的最大弹性水平位
移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.4倍;
（2）结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，混合结构大于0.85,其它结构大于0.9;
（3）结构平面凹进或凸出的一侧尺寸（从抗侧力构件截面中心线算起）大于其凹凸方向相应结构投影尺寸的40%;
⑷结构平面为角部重叠的平面图形或细腰形平面图形，其中角部重叠面积
小于较小一边的25%（见图3.3.1-3中的阴影部分），细腰形平面中部两侧收进超过平面宽度50%（见图3.3.1-4）;
（5）楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典
型宽度的40%，或开洞面积大于该层楼面面积的35%（包括错层）;
图3.3.1-3结构平面角部重叠示意图
图3.3.1-4结构平面细腰形示意图
（6）等效剪切刚度小于相邻上层的60%，或小于其上相邻三个楼层等效剪切刚度平均值的70%;
（7）除顶层或高度小于主楼高度20%的裙房（辅楼）外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的30%;
（8）下部楼层水平尺寸小于上部楼层水平尺寸的0.8倍，或整体外挑尺寸大于5m；
（9）转换层位置超过《高规》规定的高位转换层结构（即转换层以下、地面以上的大空间层数，7度时超过5层，8度时超过3层）；
（10）各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体结构；
（11）结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔类型的2种以上；
（12）抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的65%；
（13）塔楼位置明显偏置，单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%的高层建筑；
（14）采用厚板转换结构的高层建筑；
（15）高度超过28m的单跨框架结构。
3特殊类型的高层建筑：
现行规范、规程尚未列入的高层建筑结构，特殊形式的超长悬挑结构和大型公共建筑（高度大于28m且屋盖结构超出《网架结构设计与施工规程》JGJ7和《网壳结构技术规程》JGJ61规定的常用形式），特大跨度的连体结构等。
4超限大跨空间结构：
屋盖的跨度大于120m或悬挑长度大于40m或单向长度大于300m,屋盖结构形式超出常用空间结构形式的大型列车客运候车室、一级汽车客运候车楼、一级港口客运站、大型航站楼、大型体育馆、大型影剧院、大型商场、大型博物馆、大型展览馆、大型会展中心、以及特大型机库等。
5采用新结构体系、新结构材料或新抗震技术的高层建筑。
3.4建筑物规则性超限程度控制
3.4.1平面规则性超限程度控制和抗震概念设计
1平面布置中的凹口深度超限的情况如图3.4.1-1所示，bc/Bmax的比值不
宜大于50%，超过此值时宜改变建筑和结构平面布置。
2平面中楼板间连接较弱的情况如图3.4.1-2所示，（S1+S2）/B的比值不应小于50%,或S1+S2的尺寸不宜小于5m,S1或S2的最小尺寸不宜小于2m,不满足上述要求时宜改变建筑和结构平面布置。
3平面布置中局部突出超限的情况如图3.4.1-3所示，高宽比H/b>5时，I/b不应大于2,超过此值时宜调整建筑和结构平面布置。
「1bc
1
xa
Bm
图3.4.1-1凹口深度超限的平面布置示意图
bj
nd
f;
1
k
L
图3.4.1-3局部突出超限的平面示意图
3.4.2竖向规则性超限程度控制和抗震概念设计
1一般情况下，结构的侧向刚度宜用等效剪切刚度来表征，并按上海市《建筑抗震设计规程》中的方法计算。
在初步设计时，应按此刚度进行控制
2立面收进幅度过大是一种常见的竖向不规则性情况，但收进的最大尺寸也应有个限度，可从结构等效剪切刚度的变化来控制，即收进层等效剪切刚度与下层等效剪切刚度之比不宜小于50%，且连续两次收进后的等效剪切刚度不宜小于未收进层的30%。
3连体建筑也是容易形成竖向不规则的结构型式，如图342-1所示。
连体建
筑顶部的重量一般较大，对结构抗震很不利，因此，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。
当连体部位的层数超过该建筑总层数的20%时，对结构抗震极为不利，并会大大增加结构的造价。
连接体下的两个塔楼的层刚度不宜相差太大（不宜相差30%及以上）。
图342-1
4立面开大洞建筑也容易形成竖向刚度突变，成为竖向不规则性结构。
立面开大洞后对洞口周边的构件受力极为不利，洞口越大，结构的抗震性能越差，因此，立面开洞的尺寸也应进行限制，洞口宜设置在中部，洞口尺寸不宜大于整个建筑立面面积的30%。
5大底盘多塔楼建筑由于底盘刚度与塔楼刚度有差异以及底盘尺寸与塔楼尺寸有较大差异，也容易造成竖向刚度变化较大而成为竖向不规则结构，如图342-2所示。
多塔楼建筑结构各塔楼的层数、平面和等效剪切刚度宜接近，塔楼对底盘宜对称布置，各塔楼结构的质心与底盘结构刚度中心的距离不宜大于该方向底盘边长的25%。
6带转换层结构由于结构上部楼层的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，容易造成竖向刚度有突变，从而形成竖向不规则结构。
转换层的结构型式，宜优先采用梁式转换，并避免主、次梁多次转换。
对于采用框支层的转换层，其位置7度时不应超过7层，8度时不应超过5层。
3.5特殊超限情况的处理
当确因工程需要，在建筑物总高度方面超过第3.2节的控制要求时，或在建
筑物的规则性方面超过第3.3节及第3.4节的控制要求而不能改变建筑物结构体系时，应有可靠的设计依据，例如试验研究（包括整体结构模型试验、节点试验）和精细的结构分析（包括弹性和弹塑性时程分析、静力非线性分析）等。
特殊超限高层建筑工程实例如下：
例1上海环球金融中心大厦
L1.1工程概况
上海环球金融中心大厦建于上海市陆家嘴金融贸易区，系一幢以办公为主，集商贸、宾馆、观光、展览及其它公共设施于一体的大型超高层建筑，其建筑效果图见图L1.1。
主楼地下3层，地上101层，地面以上结构高度492m,拟建成目前世界最高的建筑物。
大楼建筑面积为252935m2，裙房为33370m2，地下室为63751m2，合计约35万m2。
上海环球金融中心结构体系复杂，采用了三重结构体系抵抗水平荷载，它们由巨型框架、钢筋混凝土核心筒和伸臂钢桁架组成（见图L1.2）；核心筒竖向不连续，在57层-60层及78层-79层楼层处进行了二次转换，连接部分构造复杂；伸臂桁架在核心筒内不贯通；周边巨型斜撑不封闭，巨型柱B在42层以上分叉
后，所形成的倾斜面上未设置斜撑，由于考虑到建筑立面效果和采光的要求，巨
型斜撑采用的是单向斜撑
图L1.1上海环球金融中心
图L1.2三重结构体系
该结构类型为混合结构，巨型柱采用钢骨混凝土，带状桁架及转换桁架采用
钢桁架；巨型斜撑、伸臂桁架采用钢管混凝土；核心筒在79层以下为钢筋混凝
土剪力墙，79层以上的核芯筒采用钢支撑和钢支撑外包混凝土的混合结构形式。
L1.2结构超限情况
上海环球金融中心的建筑平面为59.95m59.95m的正方形（图L1.3），形
状规则，无局部凸凹；建筑的立面形状逐渐变化（图L1.1）,无过大外挑和内收。
因此，上海环球金融中心的平面布置和竖向体型无明显的不规则性。
但核芯筒竖向布置不连续，这不符合抗震规范444条规定的“抗震设计时，竖向抗侧力构件宜上下连续贯通”的要求。
带状桁架、伸臂桁架和核芯筒内的转换桁架等结构加强层，使得结构的楼层侧向刚度沿竖向分布不均匀。
结构高度、高宽比超限情况检查见表L1.1（各符号含义参见JGJ3-2002）。
图L1.3标准层结构平面图L1.4整体结构振动台试验模型
表L1.1结构高度、高宽比检查
主楼
规范限值
检查结果
H（m）
492
190
超限
B（m）
57.95
—
—
L（m）
57.95
—
—
H/B
8.21
7.0
超限
上海环球金融中心的高度和高宽比远远超过了规范限值；且结构竖向变化较大；筒体多次转换；多重结构体系混用，是属于特别复杂的超高层结构体系。
为确保其结构设计的安全和可靠，深入认识超高层复杂结构体系的抗震性能和破坏机理，建设方委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了如下几方面的试验和理论研究工作。
L1.3试验研究内容
L1.3.1整体模型模拟地震振动台试验
上海环球金融中心模拟地震振动台试验整体模型为强度模型，由微粒混凝土、镀锌铁丝和镀锌丝网模拟钢筋混凝土，由铜材模拟钢结构。
动力试验主要相似关系为：
S=1/50,Se=0.32，Sa=2.5。
整体模型竣工后总高度约为10.184m,模型及配重约14.7t（图L1.4）。
沿结构的X和Y方向共布置了40个加速度传感器、9个位移计和25个应变片。
试验模拟的地震输入为ElCentro波、SanFernando
波和上海人工SHW2波。
根据模型结构模拟地震振动台试验结果，结构在七度多遇到七度罕遇地震作用下，没发生明显损坏，结构动力反应满足规范要求；在特大地震作用时（8度罕遇），从1〜5层的周边剪力墙向巨型柱转换的6层处，巨型柱出现明显的破坏，7层楼面多根钢柱出现较大变形、甚至屈服破坏，但仍满足“大震不倒”的要求。
L1.3.2巨型柱-斜撑-带状桁架弦杆节点的静力反复加载试验
试验节点选取53层〜54层的柱-斜撑-桁架弦杆节点，在一个试件中包含54层和55层位置的两个节点，对所选择的典型节点进行2组不同类型试件的静力反复加载试验：
纯钢骨节点试件；钢骨钢筋混凝土节点试件，试件与原型结构的缩尺比例为1：
7。
每组分别进行2个试件的试验，共制作了4个试件。
试验将纯钢骨节点试件加载至破坏；对钢骨钢筋混凝土的节点试件施加相当于罕遇地震水平的荷载。
试验结果表明，节点设计满足小震和大震时的抗震要求，并具有较高的安全储备。
图L1.5钢骨钢筋混凝土节点试件图L1.6纯钢骨节点试件
L1.4计算分析内容
对上海环球金融中心分别进行了如下方面的理论研究：
用ANSYS进行整体结
构的弹性计算；用ANSYS进行核芯筒转换层的精细有限元分析；对整体结构进行弹塑性动力时程计算；用ANSYSS行试验节点的计算分析。
上述计算结果表明，上海环球金融中心大厦的结构抗震设计满足我国设计标准的要求，节点和整体结构体系具有较大的安全储备，结构抗震性能很好。
L1.5针对超限的结构措施
1结构的抗震等级适当提高一级（已是特一级的不再提高）；
2建议适当调整6层以下各层水平刚度，增加结构延性；
3在伸臂桁架、带状桁架与巨型斜撑的交汇处，加强节点的连接；
4适当加强6层〜7层楼层外围钢柱的刚度。
例2海淮海晶华苑2*楼
L2.1工程概况
上海淮海晶华苑项目基地位于上海市淮海中路南侧，北靠桃源路，东邻柳林路，西连普安路，南为淮海中路警署和曙光医院。
该项目由三栋板式高层住宅楼组成，其中1*楼和2*楼为29层，3*楼为18层，整个基地覆盖一层地下室，为汽车库和设备用房。
三栋高层建筑均为底部大空间部分框支剪力墙体系，底部大空间层数为一层，竖向构件由落地剪力墙和框支柱组成，二层及以上竖向构件全部为剪力墙结构。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002的规定，该项目各楼均
1600
图L2.2结构底层及标准层平面图
属于复杂高层建筑结构。
另外，2*楼为建造空中健身房，在17~23层中部楼板缺失，立面上形成两个约20mx20m的大洞（图L2.1），因此结构形式更为复杂。
图L2.1淮海晶华苑2#楼模型结构立面图
L2.2结构超限情况
淮海晶华苑2*楼平面长69m，宽18.15m,除底层层高为8.1m，其余各层均为3.05m，结构总高96.55m。
该住宅为钢筋混凝土底部大空间、部分框支、短肢剪力墙-筒体体系，底层大空间，三个剪力墙筒体落地，并设有24根型钢混凝土
框支柱（图L2.1）;2层设钢筋混凝土梁式转换层；17~23层中部楼板缺失，立面上形成两个21.35mx19.8m的大洞；在24层布置型钢混凝土梁式转换层；大屋面以上局部突出。
L2.2.1结构超限情况检查（表L2.1,各符号含义参见JGJ3-2002）
结构竖向规则性检查：
淮海晶华苑2*楼为底部大空间部分框支、短肢剪力墙-筒体体系，其立面大洞口上部形成连体结构，使得结构体系中部分竖向构件的
布置不连续，因此在竖向规则性方面也超限。
表L2.1结构高度、高宽比、平面形状规则性检查
2#楼
规范限值
检查结果
H（m）
96.55
100
满足
B（m）
18.15
—
—
H/B
5.30
6.0
满足
L（m）
69.00
—
—
Bmax（m）
18.15
—
—
B（m）
11.10
—
—
l（m）
7.05
—
—
b（m）
22.25
—
—
L/B
6.20
6.0
超限
l/Bmax
0.39
0.35
超限
l/b
0.32
2.0
满足
L2.2.2结构超限结论及针对性研究
淮海晶华苑2#楼属平面规则性超限、竖向特别不规则的复杂体型高层建筑。
为确保该高层结构设计的安全和可靠，首先在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行2#楼整体结构的模拟地震振动台试验，然后针对整体试验中较薄弱的转换层上的短肢剪力墙肢、短肢剪力墙间连梁分别进行了节点的拟静力试验；并对上述内容分别作了计算分析，作为该复杂高层结构优化设计和验证的依据。
L2.3试验研究内容
L2.3.1整体模型模拟地震振动台试验
淮海晶华苑2#楼模拟地震振动台试验整体模型为强度模型，由微粒混凝土、镀锌铁丝和镀锌丝网模拟钢筋混凝土，由铜材模拟钢结构。
动力试验主要相似关系为：
S=1/20，Se=0.35,Sa=3。
整体模型竣工后总高度约为5.2m，模型及配重约17t,冈『性底座重约5t（图L2.1）。
在试验时沿结构的X和Y方向分别布置了30个加速度传感器、6个位移计和13个应变片。
试验模拟地震输入为ElCentro波、Pasadens波和上海人工波SHW2，其中前两种波为双向水平输入，加速度幅值之间的比例关系为1:
0.85。
试验表明，淮海晶华苑2#楼的结构设计在整体上是满足“小震不坏，大震不倒”的要求，具有较高的安全储备，但在大震作用下，2层转换层上短肢墙肢在
根部被整体剪坏；结构的鞭梢效应明显。
L2.3.2与转换梁相连短肢剪力墙肢拟静力试验
该节点试验制作了两个配筋不同的L形短肢剪力墙试件（图L2.3），缩尺比均为1/2。
拟静力试验时先在竖向给试件施加400kN荷载（轴压比约为0.248），水平向则按荷载-位移混合控制的方法进行。
试验表明短肢剪力墙试件滞回曲线较为饱满，具有较好的耗能特性；最终破坏形式均为弯曲破坏，配筋较高试件的受剪切影响较大。
L2.3.3短肢剪力墙-连梁节点拟静力试验
该节点试验制作了两个配筋不同的T形短肢剪力墙连梁试件（图L2.4），缩尺比均为1/2。
拟静力试验时先在竖向给试件施加200kN荷载（轴压比约为0.105）,水平向则按荷载-位移混合控制的方法进行。
试件破坏均发生在连梁中，为连梁弯剪型破坏,属延性破坏模式；节点区短肢剪力墙的纵筋配筋率及连梁配箍率较高试件的节点的承载能力较高。
图L2.3转换层上短肢剪力墙肢拟静力试验图图L2.4短肢剪力墙-连梁节点拟静力试验图
L2.4计算分析内容
对上海淮海晶华苑2＃楼整体结构分别进行了
（1）SATWE设计计算；
（2）SAP84动力特性、振型分解反应谱计算和弹性时程分析；（3）STRAND7动力特性和弹塑性时程分析，计算结果表明，大屋面以下部分的最大弹塑性层间位移角约为1/130，满足规范要求。
另外进行了与试验相应节点的计算分析，包括：
（1）与转换梁相连短肢剪力墙肢的ANSYS计算分析；
（2）短肢剪力墙-连梁节点ANSYS计算分析，节点非线性计算的结果表明，上述节点的受力合理，配筋适当，具有较高的延性，满足设计规范中对节点设计的要求。
L2.5针对超限的结构措施
1突出大屋面部分剪力墙（筒体）鞭梢效应明显，建议提高其强度、改善延性；
2适当提高结构抗震等级；
3严格控制水平位移；
4框支柱采用劲性结构，并适当提高体积配筋率；
5严格控制框支柱的轴压比。
例3海久百城市广场
L3.1工程概况
上海久百城市广场位于上海市静安区，其南侧为地铁2号线静安寺站，东临机场城市航站楼，北临南京西路，为一集商场、办公、餐饮于一体的综合性商厦。
占地面积10690m2，地面以上总建筑面积为76927m2，地面以下总建筑面积为
13566m2。
结构地下1层，其中地下一层层高6.3m;地面以上共9层，一层层高5.75m,二~九层层高5.40m，结构总高度48.95m。
结构平面示意图见图L3.1，建筑立面见图L3.2。
图L3.1结构平面示意图
上海久百城市广场为钢筋混凝土框架结构，南北方向长约132.
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