(灰色)超高建筑结构设计几个重要概念问题2

超高建筑结构设计几个重要概念问题

11、超限高层

2、结构的抗震性能化设计

3、框架柱剪力调整

4、结构构件合适含钢率

5、舒适度

2下列高层建筑属于超限高层

一、高度超限

房屋高度超过下表的高层建筑超限高层结构类型6度7度(含0.15g)8度(含0.20g)9度混凝土结构框架60504024框架—抗震震分框支抗震墙12010080不应采用框架—核心中柱—抗震墙807055不应采用较多短肢墙10060不应采用错层的抗震墙和框架--抗震墙8060不应采用混合结构钢外框—钢筋混凝土筒20016012070型钢混凝土外框--钢筋混凝土筒22019015070钢结构框架1101109050框架—支撑（抗震墙板）220220200140各类筒体和巨型结构300300260180注：平面和竖向均不规则（部分框支结构指框支层以上的楼层不规则），其高度比表内数值减少不少于10%。3二、不规则超限

1、结构布置同时具有下表中三项及三项以上不规则的高层建筑。序不规则类型简要涵义备注1a扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2见GB50011-3.4.21b偏心布置偏心率大于0.15或相邻层心质相差大于相应边长15%见JGJ99-3.2.22a凹凸不规则平面凹凸尺寸大于相应边长30%等见GB50011-3.4.22b组合平面细腰形或角部重叠形见JGJ3-4.3.33楼板不连续有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高见GB50011-3.4.24a刚度突变相邻层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%见GB50011-3.4.24b尺寸突变竖向构件位置缩进道大于25%，或外挑大于10%和4m见JGJ-4.4.55构件间断上下墙、柱、支撑不连续，含加强层、连体类见GB50011-3.4.26承载力突变相邻层受剪承载力变化大于80%见GB50011-3.4.27局部不规则如局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换已计入1~6项者除外注：深凹进平面在凹口设置连梁，其两侧的变形不同时仍视为平面凹凸不规则，不按楼板不连续开洞对待；序号a、b不重复计算不规则项；局部的不规则，视其位置、数量等对整个结构影响的大小判断是否计入不规则的一项。4二、不规则超限

2、结构布置具有下表中一项不规则的高层建筑。序不规则类型简要涵义1扭转偏大裙房以上的较多楼层，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.42抗扭刚度弱扭转周期比大于0.9，混合结构扭转周期比大于0.853层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的50%4高位转换框支墙体的转换构件位置：7度超过5层，8度超过3层5厚板转换7~9度设防的厚板转换结构6塔楼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%7复杂连接各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体两端塔楼显著不同的结构8多重复杂结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔等复杂类型的3种5三、结构类型超限

抗震规范、高层建筑混凝土结构规程和高层钢结构规程未列入的其他高层结构类型，特殊形式的大型公共建筑及超长悬挑结构，特大跨度的连体结构等。6抗震性能化设计理念和方法，自20世纪90年代在美国兴起，并日益得到工程界的关注。我国2010年发布的《建筑抗震设计规范》GB50011-2010和即将发布的《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2011包括了此内容。

抗震性能化设计是建筑结构抗震设计的一个重要发展，它的特点是：使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过度，业主（设计者）可选择所需的性能目标；抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，有利于建筑结构的创新，经过论证（包括试验）可以采用现行标准规范中还未规定的新的结构体系；有利于针对不同设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性及建筑使用功能、投资大小、震后损失和修复难易程度等，对建筑结构采用不同的性能目标和抗震措施。

复杂和超限高层结构设计比较适合采用抗震性能化设计方法补充设计。结构的抗震性能化设计7一、抗震性能目标的设定和选用

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2011将结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准（下表），每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相应。性能目标性能水准地震水准ABCD多遇地震（小震）1111设防烈度地震（中震）1234罕遇地震（大震）234581、抗震性能目标

A、B、C、D四级性能目标的结构，在小震作用下均应满足第1抗震性能水准，即满足弹性设计要求；在中震或大震作用下，四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别。

（1）A级性能目标是最高等级，中震作用下要求结构达到第1抗震性能水准，大震作用下要求结构达到第2抗震性能水准，即结构仍处于基本弹性状态；

（2）B级性能目标，要求结构在中震作用下满足第2抗震性能水准，大震作用下满足第3抗震性能水准，结构仅有轻度损坏；

（3）C级性能目标，要求结构在中震作用下满足第3抗震性能水准，大震作用下满足第4抗震性能水准，结构中度损坏；

（4）D级性能目标是最低等级，要求结构在中震作用下满足第4抗震性能水准，大震作用下满足第5抗震性能水准，结构有比较严重的损坏，但不致倒塌发生危及生命的严重破坏。92、抗震性能水准

（1）第1抗震性能水准结构，应满足弹性设计要求。小震作用下，其承载力和变形符合现行规范的规定；在中震或大震作用下，全部结构构件的抗震承载力宜符合下式要求（简称中震或大震弹性）；

（2.1）

式中——地震作用标准值的构件内力，不需乘与抗震等级有关的增大系数，抗震等级按四级。

（2）第2性能水准结构，在中震或大震作用下，竖向构件及关键构件的抗震承载力宜满足式（2.1）要求；耗能构件的受剪承载力宜满足式（2.1）要求，其正载面承载力宜符合下式要求（简称中震或大震不屈服）；

（2.2）

式中Rk——材料强度标准值计算的截面承载力。

10（3）第3性能水准的结构应进行弹塑性分析，在中震或大震作用下，竖向构件及关键构件的正截面承载力宜满足式（2.2）的要求，其受剪承载力满足式（2.1）的要求；部分耗能构件进入屈服阶段，但抗剪承载力满足式（2.2）的要求。大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应满足规范限值。

（4）第4性能水准的结构应进行弹塑性分析，在中震或大震作用下，关键构件的抗震承载力宜满足式（2.2）的要求；部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段，但钢筋混凝土构件的受剪截面应满足式（2.3）的要求（简称截面限值）。大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应满足规范限值。

（2.3）

式中——重力荷载代表值的构件剪力；

——地震作用标准值的构件剪力，不需乘以与抗震等级有关的增大系数，抗震等级按四级。11（5）第5性能水准的结构应进行弹塑性分析，在大震作用下，关键构件的抗震承载力宜满足式（2.2）的要求；较多的竖向构件进入屈服阶段，但不允许同一楼层的竖向构件全部屈服；竖向构件的受剪截面应满足式（2.3）的要求；允许部分耗能构件发生比较严重的破坏；结构薄弱部位的最大层间位移角应满足规范限值。123、结构抗震性能水准可按表2进行宏观判别，各种性能水准结构的楼板均不应出现受剪破坏。

表2各种性能水准结构预期的震后性能状况结构抗震性能水准宏观损坏程度损坏部位继续使用的可能性普通竖向构件关键构件耗能构件第1水准完好、无损坏无损坏无损坏无损坏一般不需修理即可继续使用第2水准基本完好、轻微损坏无损坏无损坏轻微损坏稍加修理即可继续使用第3水准轻度损坏轻微损坏轻微损坏轻度损坏、部分中度损坏一般修理后才可继续使用第4水准中度损坏部分构件中度损坏轻度损坏中度损坏、部分比较严重损坏修复或加固后才可继续使用第5水准比较严重损坏部分构件比较严重损坏中度损坏比较严重损坏需排险大修注：普通竖向构件是指关键构件之外的竖向构件；关键构件是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命的严重破坏；耗能构件包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。134、结构弹塑性分析

（1）高层不超过150m的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法；高层超过200m时，应采用动力弹塑性分析方法；高度在150~200m之间，可视结构不规则程度选择静力或动力分析法。高度超过300m的结构或新型结构或特别复杂结构，应由两个不同单位进行独立的计算校核；

（2）弹塑性计算分析应以混凝土构件的实际配筋、型钢和钢构件的实际规格为基础，不应以估算的配筋和钢构件替代；

（3）复杂结构应进行施工模拟分析，应以施工全过程完成后的内力为初始状态；

（4）动力弹塑性分析宜采用双向或三向地震波输入，计算结构宜取多组波计算结构包括值；

（5）应对计算分析结果进行合理性判断。14一、剪力调整概念

受力需要：框架—剪力墙（核心筒）结构在小震作用下，弹性计算变形协调所得的框架柱剪力较小；大震作用下，剪力墙（核心筒）及连梁出现裂缝后，刚度退化，框架柱剪力将大大增加。

抗震需要：提高结构第二道防线框架的抗震能力。框架柱剪力调整15二、剪力调整计算原则

按《高层混凝土结构规程》JGJ3-8.1.4条：16图1框架剪力调整弯矩示意图2水平地震作用下框架弯矩示意17《高层混凝土结构规程》JGJ3-8.1.4-2条：各层框架所承担的地震总剪力按本条第1款调整后，应按调整前、后总剪力的比值调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力及端部弯矩标准值，框架柱的轴力标准值可不予调整；

由节点力系平衡，相连层i框架梁j的梁端剪力、弯矩调整为：18三、框架梁梁端剪力、弯矩是否放开调整

1、框架柱偏压、轴压比控制，其配筋一般由抗震构造控制，柱剪力调整后，柱的实际配筋一般未能得到调整增大，实际框架柱承载能力未能得到有效提高。而框架梁纯弯，梁端弯矩调整，配筋成比例增大，实际框架梁承载能力得到明显提高。

2、计算分析表明，仅对相互正交的两个主轴x、y方向分别进行内力分析及承载力设计，不能真实反应结构的空间强度；构件中最不利受力状态随构件的不同和地震作用方向不同而不同。一些算例表明，当地震作用方向与结构的主轴方向一致时，梁处于最不受力状态，而当地震作用方向与结构的主轴方向呈45°时，大多数柱处最不利受力状态。193、日本、美国及我国台湾、汶川等震害表明，楼盖整浇的钢筋混凝土结构的竖向构件墙、柱破坏严重，而由于整浇楼盖对框架梁的“增强”、“卸荷”效应，楼盖梁板一般不出现破坏。如果考虑框架梁梁端剪力、弯矩放开调整，实际结构承载能力将向“强梁弱柱”方向发展，不利于整体结构“强柱弱梁”的延性抗震。20四、剪力如何调整

1、小震作用下做钢筋混凝土框架—剪力墙（核心筒）结构柱剪力放开调整十分必要。

2、不必过分强调地震作用下框架节点力系平衡，以利于解决框架梁端超筋问题。

3、限制调整相连框架梁梁端弯矩、剪力，调整系数一般取1.5~2.0，以利于框架梁先屈服发挥延性，以利于相对强化框架柱。21超高层建筑结构除必须满足各种工况受力需求外，尚需对各类构件适当增加配置各种受力筋和非受力构造筋，确定各类结构构件合适含钢率，是控制超高层建筑结构承载力、延性、刚度及裂缝使之正常工作的一个重要的设计原则和手段，同时会带来较好的经济效益。结构构件合适含钢率22一、超高层现浇钢筋混凝土结构构件要配置合适含钢率，主要有以下两个方面考虑：

1、目前结构设计计算主要计入重力、风、地震等荷载效应，而几乎都末计入温差变化，混凝土收缩徐变及地基差异沉降等非荷载效应，对超高层建筑结构，这些非荷载效应更显突出。就已计入的荷载效应来说，风和地震作用，还有许多不确定不准确因素，计算理论大多采用弹性，与实际混凝土弹塑性有差距。因此在满足目前结构计算手段得到的受力需要的配筋基础上，还须对各类结构构件受力钢筋尤其是非受力钢筋予以适当调整配置，除满足理论计算需要外，还需达到合适含钢率，使超高层建筑结构处于较佳工作状态。232、现行规范给出的各类钢筋混凝土构件最小含钢率是设计最低要求，一般仅适用单层、多层建筑及独立构件。对于超高层现浇钢筋混凝土结构，一般体量较大、基础刚度较大、构件体积较大，混凝土强度等级高，施工一般采用泵送混凝土，水灰比较大，收缩率较大，现行规范给出的各类结构构件最小含钢率就明显得偏低很多。超高层建筑结构应有其各类结构构件各种受力非受力钢筋比较合适的含钢率，它的下限应比现行规范最小含钢率高。大量工程实践正反两方面的经验教训，证明了这一点。凡是注意配置合适含钢率的工程，混凝土和钢筋处于较佳工作状态，整个结构状态良好；反之，则极容易产生各种裂缝和较大变形，严重者甚至造成结构隐患引起结构不安全。工程实践表明，只要主体结构、楼盖结构布置得当、刚度适宜，合适含钢率的设计仍能使一般超高层建筑结构的总用钢量控制在合理范围。相反，设计体系不合理，有的工程即使用钢量指标很高，但有些构件各种必须的合适含钢率未达，仍招致许多裂缝出现，严重影响使用。24二、根据国内外大量工程实践经验和教训，超高层建筑结构各类结构构件合适含钢率建议取值见表1.

表1结构构件合适含钢率内容种类受力纵筋非受力纵筋箍筋梁0.35%~1.5%0.3%0.25%~0.4%­­（1）柱（包括暗柱）0.5%~1.5%—0.8%~0.2%­­（2）墙0.35%~0.5%0.35%~0.5%—板0.35%~0.6%0.35%—厚板0.2%~0.4%——2526表1合适含钢率表实质综合两层内容：

1、表中下限值为相应构件相应配筋的构造最低含钢率；

2、表中上限值适用于大部分构件相应配筋的最高含钢率。当然局部个别构件截面因需要可以有所突破。

抗震设计应用此表时，抗震等级高者可取值大些，抗震等级低者可取下限。27三、需要注意几点

1、结构构件合适含钢率的钢筋配置中，特别要引起重视和注意的是，抗弯构件支座截面的受力配筋应准确。有些结构软件计算得到的框架梁支座弯矩设计值通常是竖向构件柱墙载面中心处的理论值，其所对应的受力配筋计算值实际是虚值，所对应该载面高度已不是梁载面高度，而是柱、墙的刚域区。所以，实际框架梁支座载面配筋设计时，一定要注意取梁支座边的理论值。对于超高层建筑结构，墙柱截面一般较大，扣除支座剪力产生的反弯矩，减小负弯矩峰值往往较大，用这个支座边的弯矩值进行支座截面受力配筋计算得到的受弯构件支座截面配筋率及受压高度通常容易满足框架梁抗震延性要求。对于宽、扁梁支承的板地支座受力配筋也应注意调整。2829一、超高层在风作用下的舒适度控制

1、舒适度控制原则

（1）结构在风作用下引起的摇摆运动不会使居住者产生不舒适的感觉以及结构楼盖因人或其他运动的干扰引起的震动不致使居住者感觉不适。

（2）要建造在大暴风以及强烈地震下不产生明显摆动的建筑物，花费将是非常巨大的，也是没有必要的，有些摆动是不可避免的。我们的目的是确立一个超高层建筑在正常使用阶段，在规范规定的风作用下，满足舒适度要求的设计准则，使得结构设计既经济又能被居住者接受。舒适度控制302、舒适度与风振加速度限值

经过大量研究，人们已普遍认为在考虑人对振动的反应时，加速度是起决定作用的参数。在表1中，列出人地忍受能力划分等级，共分8个等级。

表1人的忍受划分等级等级加速度（m/s2）影响1＜0.05人感觉不到摆动20.05~0.10敏感的人能感受到摆动，悬挂的物体轻轻摆动30.10~0.25大部分人可感觉到摆动，摆动影响写作，长时间的姿势可感觉不舒服40.25~0.4书桌工作变得非常困难甚至已不能进行，但仍能行走50.4~0.5人们明显地感受到摆动，自然行走已较困难，站立的人将失去平衡60.5~0.6大部分人部能忍受此时的摆动且不能自然行走70.6~0.7人们不能行走，不能忍受摆动8＞0.85物体开始落下，人受到伤害31我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002），规定了高层超过150m的高层建筑需满足舒适度