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【摘 要】 近年来，随着结构材料及设计方法的不断进步，我国的超高层建筑发展迅速，建筑高度被不断刷新。由于超高层项目的特殊性，抗震设计应采取更为严格的技术措施以保证安全。本文主要探讨了超高层结构抗震设计中可靠度设计方法的适用性、超高层抗震设计计算、超高层抗震构造和最小剪重比的应用等超高层结构抗震设计中常见的4个方面的问题。
【关键词】 超高层结构；抗震设计；常见问题
随着城市建设的发展，高层建筑越来越多，各种体型复杂的不规则高层结构时有出现。如上海环球金融中心，地面以上达到101层，高度492m，采用筒中筒混合结构，内筒在340m以下采用钢筋混凝土结构，340m以上采用钢斜撑混凝土筒体结构；外框筒采用巨型柱、斜撑和周边桁架组成的巨型斜撑框架结构，并在竖向设置三道3层层高的伸臂桁架加强层。浙江温州的世界贸易中心大厦，地面以上68层，结构高度近300m，钢筋混凝土筒中筒体系，10层以下抽柱转换，转换层以下为型钢混凝土柱。宁波浙海大厦二期工程主楼52层，结构高度160m，6层以上为住宅，6层以下为商场、银行办公、会所及游泳池等，采用钢筋混凝土框支-剪力墙结构体系，第6层通过厚板进行高位转换。嘉兴中港城五星级酒店主楼地面以上55层，高度近230m，钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，底部10层位置抽柱转换，转换层以下为型钢混凝土柱，由于核心筒宽度较小，为满足侧向位移和结构整体稳定要求，分别在第25层和40层设置了水平加强层。以上这些高层建筑在高度或结构规则性等方面均超出了现行国家规范、规程的适用高度和有关的抗震设计规定，如不对其抗震设防进行专门研究，不进行超限设计可行性论证并采取有效的抗震加强措施，将危及结构的抗震安全。由于超高层项目的特殊性，抗震设计应采取更为严格的技术措施以保证安全。当前我国的高层建筑抗震设计规范、规程较为完善，但其有一定的适用范围，主要是针对常规结构，然而对于超出规范、规程适用范围的超高层建筑结构，对其进行抗震分析时有哪些特殊规定是设计人员普遍关心的问题。
1、超高层结构抗震设计中可靠度设计方法的适用性
强烈地震尤其是大震级地震是破坏性很大但发生几率很小的小概率事件。我国是地震多发国家，大部分地区都受到破坏性地震的威胁。新中国成立以来，发生过1976年7.8级的唐山大地震和2008年8级的汶川大地震，造成了人民生命和财产的极大损失。同时，也应当看到，大多数抗震设防区的建筑物在其整个服役期间并未遭受较大地震的袭击。半个世纪以来，地震学有了长足的发展，然而人们对地震动机理的认识不能不说还十分肤浅。当我们在谈论地震的宏观机制——板块学说和局部机制——弹性回跳理论的时候，又發生诸如唐山地震——称为板内或直下型地震，其机理更为复杂。竖向荷载、风荷载、材料的力学性能等的随机性可通过大量的实测数据和试验数据的统计分析获得，对工程设计来说，已可足够准确地掌握其统计规律和特征。而地震则完全不同，强震发生次数不多，在同一地区重复发生的机会更少，无从进行工程意义上的有价值的统计分析，由于其难以把握的不确定性，使可靠度设计方法失去最基本的依据。除了地震输入，结构响应的不确定性也是明显的，其中最主要的是地基与基础间的相互作用以及地震过程中结构自身动力特性的变化。当前，将地震视为一随机过程已为工程界所接受，但将非平稳的随机过程视为与时间无关的平稳随机过程，并以最简单的、一个参数即可表达地震发生的概率分布的泊松模型来描述这个随机过程，实际上并没有足够的、由实际发生的地震统计数据的支持。迄今为止，还没有较可靠的方法来预估未来一段时间可能发生地震的强度、频谱特性及持时等对结构反应有决定性影响的要素。从某种程度上说，地震作用实际上是“给定的”，与当前对地震的认识水平相对应所能达到的可靠性相关，还与社会的经济发展水平相关。当前结构构件抗震承载力表达式除了形式上与结构抗力相似，并不存在抗震设计承载力极限状态的可靠度，其根本原因就在于地震作用及其效应的难以估计。
关于建筑结构工程设计采用可靠度方法的适用性问题，有学者提出质疑并指出：“规范的设计方法与其说是一种科学，还不如说更多的是一种工程技术，更应注意整体的综合。从这个意义上说，多安全系数设计方法要比可靠度设计方法更合适规范采用”。这个结论用于结构抗震设计更为恰当。近年来，基于性能的设计方法引入抗震设计，中震作用甚至大震作用的分析更频繁地见诸初步设计文件和超限设计可行性报告，实际上已连可靠度方法的外壳也抛弃了。去除可靠度设计方法的外壳，改用多安全系数设计方法，可令人有“退一步、进二步”、“退一步海阔天空”之感，不必为尴尬的γRE伤脑筋，许多安全度的调整问题可迎刃而解。
在超高层建筑物的抗风设计中，应该考虑到以下问题：一是要保证建筑物的结构具有很强的稳定性，能够承受住大风的作用；二是建筑物的结构要有足够的刚度，在水平风力的作用下不会产生横向的移动，对建筑物的使用造成影响；三是要选择建筑物的外形选择尤其重要，从以上的介绍中我们得知，圆形和正多边形的建筑物受到风力的作用力比其他形状受到的作用力小；四是使建筑物的外形呈轴对称，这样可以减少风力作用中的偏心力；五是外墙等围护构建要与建筑物主体可靠的连接，防止局部破坏的现象发生。
2、超高层抗震设计计算
2.1超高层结构计算模型的确位一定要符合所用计算程序的边界条件：三维软件“TAT”采用空间杆系计算柱梁，采用薄壁柱原理计算剪力墙，平面刚度要求很大，楼层变形要协调一致，剪力墙的上、下洞必须对齐，开通或忽略，否则就会造成传力混乱和薄壁柱下端刚域复杂，易形成误差积累。
2.2高层结构剪力墙中连梁超筋的处理：高层结构中连梁受力很复杂，除承受竖向荷载外，水平地震作用下由于弯矩的形成，也会产生很大的内力，此外连梁两端的墙肢在水平力作用下的弯曲变形和竖向载荷下的压缩变形，都影响着连梁的工作受力。对于剪力墙和连梁，设计时也应严格遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的原则。 2.3高层结构计算完毕后，由于设备管道或其他要求，需在剪力墙增加洞口时，并不一定非要全部重新计算，可区分情形处理如下：
2.3.1当洞口位置设在剪力墙的中和轴附近或洞口较小，对剪力墙截面惯性矩减少在10%以内时，可只考虑对洞口构造加强，对其他剪力墙和框架的内力及结构的侧向变位影响可不考虑。
2.3.2当洞口位置偏离剪力墙截面中和轴较远或洞口较大，对剪力墙截面惯性矩减少在10%以上，30%以内时，除计算洞口加强钢筋外，还应按剪力墙刚度比例增加未新加洞口的剪力墙的剪力和弯矩，相应调整剪力墙配筋。对框架内力及结构位移可不做调整。
2.3.3当各层剪力墙普遍增加新洞口，且剪力墙总惯性矩减少在30%以上时，应全部重新计算结构内力和位移。
2.4框支剪力墙托梁上方墙体开洞后，对托梁内力的影响：由于商住建筑功能的特殊性，要求高层结构底部做大空间商场，上部住宅公寓要求剪力墙小开间，底部和上部在刚度上差别很大，因此框支结构在高烈度地区对抗震很不利，特别是转换水平和竖向荷载的转换层显得尤为重要，而其中受力最为复杂的是框支托梁。
3、超高层抗震构造
3.1框支（架）梁上开洞的构造：框支（架）梁或剪力墙的连梁，困机电设备管道的穿行需开孔洞时，应合理选择孔洞的位置，并应进行承载力计算及采取构造措施。孔洞位置应避开梁端塑性铰区，必要时也可设置在梁端L/3）L为梁跨度）区域内。也洞偏心宜偏向受拉区，其偏心矩e0≤0.05h0（h0为梁断面的有效高度）。小孔油洞尽可能预留套管，当设置多个孔洞时，相邻孔洞边缘净矩不应小于2.5h（h为洞口高度）。当矩形孔洞高度小于h/6及100毫米且孔洞长度小于h/3及200毫米时，其孔洞周边可按构造设置，上、下边纵向钢筋可采用2Φ12，箍盘采用Φ8，间距不应大于0.5h（h为洞口高度）及100毫米，孔洞边竖向箍盘也应加密。当孔洞尺寸超过上述限制时，也洞上、下边纵向钢筋应按计算确定，但不小于构造要求。
3.2剪力墙上双开洞时，中间小墙肢的处理：高层结构剪力墙内房间门洞间墙肢尺寸一般都较小，常常小于3倍的剪力墙厚度且可能不大于500毫米，这时的小墙肢就应该按柱来处理，但计算时发现其抗剪承载力往往不够。鉴于此种情况，在设计过程的计算中，可直接按剪力墙上开大洞口计算连梁和墙体，然后可按构造处理此门垛，由于地震作用对高层结构影响很大，因此门垛的设计还应考虑一定的抗震能力，通常可采用素混凝土加构造钢筋的做法。
4、最小剪重比的应用
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中5.2.5条对最小剪重比有明确要求。最小剪重比属于概念设计范畴，主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期較长结构的安全。剪重比是规范考虑长周期结构用振型分解反应谱法和底部剪力法计算时，因地震影响系数取值可能偏低，相应计算的地震作用也偏低，因此出于安全考虑，规范规定了楼层水平地震剪力的最小值。若楼层水平地震剪力小于规范对剪重比的要求，水平地震剪力的取值应进行调整，并应按调整后的地震作用确定层间位移角等重要结构指标。设计实践中，多遇地震分析时要求按规范谱和安评谱进行包络设计，因此在使用安评谱进行分析时，尚应根据地震安全性评价报告提供的地震峰值加速度对最小剪重比限值进行调整。并且在进行最小剪重比复核时，应按照相应方向第一主周期进行插值确定该方向的最小剪重比。
超高层结合设计条件对剪重比不足的情况进行分析。通过分析来合理地控制剪重比，使之结构具备合理的刚度。在增强结构刚度时，应尽可能增强结构整体刚度。在合理地控制了剪重比之后，如果仍然有剪重比不满足，这时就应该按照抗规要求人为调整地震剪力。总之，剪重比不足时，要先“分析”、再“控制”，最后来“调整”，从而保证超高层建筑抗震设计安全与经济。
5、结语
超高层结构的抗震设计是一项非常具有挑战和重大意义的事情，其涵盖了性能化设计方法、概念设计思想等诸多范畴，并随着科学技术的进步和分析手段的提高而不断发展变化。要求设计人员要充分理解结构含义，灵活运用结构概念与各项技术措施来实现结构的三水准设计准则，并满足技术与经济的双重平衡标准。
参考文献：
[1]王亚勇.台湾921地震中钢筋混凝土结构震害特征[J].工程抗震，2009（1）
[2]赵楠.基于菱形平面的超高层结构抗震设计[J].工程抗震与改造加固，2013，35（1）
[3] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S]
【关键词】 超高层结构；抗震设计；常见问题
随着城市建设的发展，高层建筑越来越多，各种体型复杂的不规则高层结构时有出现。如上海环球金融中心，地面以上达到101层，高度492m，采用筒中筒混合结构，内筒在340m以下采用钢筋混凝土结构，340m以上采用钢斜撑混凝土筒体结构；外框筒采用巨型柱、斜撑和周边桁架组成的巨型斜撑框架结构，并在竖向设置三道3层层高的伸臂桁架加强层。浙江温州的世界贸易中心大厦，地面以上68层，结构高度近300m，钢筋混凝土筒中筒体系，10层以下抽柱转换，转换层以下为型钢混凝土柱。宁波浙海大厦二期工程主楼52层，结构高度160m，6层以上为住宅，6层以下为商场、银行办公、会所及游泳池等，采用钢筋混凝土框支-剪力墙结构体系，第6层通过厚板进行高位转换。嘉兴中港城五星级酒店主楼地面以上55层，高度近230m，钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，底部10层位置抽柱转换，转换层以下为型钢混凝土柱，由于核心筒宽度较小，为满足侧向位移和结构整体稳定要求，分别在第25层和40层设置了水平加强层。以上这些高层建筑在高度或结构规则性等方面均超出了现行国家规范、规程的适用高度和有关的抗震设计规定，如不对其抗震设防进行专门研究，不进行超限设计可行性论证并采取有效的抗震加强措施，将危及结构的抗震安全。由于超高层项目的特殊性，抗震设计应采取更为严格的技术措施以保证安全。当前我国的高层建筑抗震设计规范、规程较为完善，但其有一定的适用范围，主要是针对常规结构，然而对于超出规范、规程适用范围的超高层建筑结构，对其进行抗震分析时有哪些特殊规定是设计人员普遍关心的问题。
1、超高层结构抗震设计中可靠度设计方法的适用性
强烈地震尤其是大震级地震是破坏性很大但发生几率很小的小概率事件。我国是地震多发国家，大部分地区都受到破坏性地震的威胁。新中国成立以来，发生过1976年7.8级的唐山大地震和2008年8级的汶川大地震，造成了人民生命和财产的极大损失。同时，也应当看到，大多数抗震设防区的建筑物在其整个服役期间并未遭受较大地震的袭击。半个世纪以来，地震学有了长足的发展，然而人们对地震动机理的认识不能不说还十分肤浅。当我们在谈论地震的宏观机制——板块学说和局部机制——弹性回跳理论的时候，又發生诸如唐山地震——称为板内或直下型地震，其机理更为复杂。竖向荷载、风荷载、材料的力学性能等的随机性可通过大量的实测数据和试验数据的统计分析获得，对工程设计来说，已可足够准确地掌握其统计规律和特征。而地震则完全不同，强震发生次数不多，在同一地区重复发生的机会更少，无从进行工程意义上的有价值的统计分析，由于其难以把握的不确定性，使可靠度设计方法失去最基本的依据。除了地震输入，结构响应的不确定性也是明显的，其中最主要的是地基与基础间的相互作用以及地震过程中结构自身动力特性的变化。当前，将地震视为一随机过程已为工程界所接受，但将非平稳的随机过程视为与时间无关的平稳随机过程，并以最简单的、一个参数即可表达地震发生的概率分布的泊松模型来描述这个随机过程，实际上并没有足够的、由实际发生的地震统计数据的支持。迄今为止，还没有较可靠的方法来预估未来一段时间可能发生地震的强度、频谱特性及持时等对结构反应有决定性影响的要素。从某种程度上说，地震作用实际上是“给定的”，与当前对地震的认识水平相对应所能达到的可靠性相关，还与社会的经济发展水平相关。当前结构构件抗震承载力表达式除了形式上与结构抗力相似，并不存在抗震设计承载力极限状态的可靠度，其根本原因就在于地震作用及其效应的难以估计。
关于建筑结构工程设计采用可靠度方法的适用性问题，有学者提出质疑并指出：“规范的设计方法与其说是一种科学，还不如说更多的是一种工程技术，更应注意整体的综合。从这个意义上说，多安全系数设计方法要比可靠度设计方法更合适规范采用”。这个结论用于结构抗震设计更为恰当。近年来，基于性能的设计方法引入抗震设计，中震作用甚至大震作用的分析更频繁地见诸初步设计文件和超限设计可行性报告，实际上已连可靠度方法的外壳也抛弃了。去除可靠度设计方法的外壳，改用多安全系数设计方法，可令人有“退一步、进二步”、“退一步海阔天空”之感，不必为尴尬的γRE伤脑筋，许多安全度的调整问题可迎刃而解。
在超高层建筑物的抗风设计中，应该考虑到以下问题：一是要保证建筑物的结构具有很强的稳定性，能够承受住大风的作用；二是建筑物的结构要有足够的刚度，在水平风力的作用下不会产生横向的移动，对建筑物的使用造成影响；三是要选择建筑物的外形选择尤其重要，从以上的介绍中我们得知，圆形和正多边形的建筑物受到风力的作用力比其他形状受到的作用力小；四是使建筑物的外形呈轴对称，这样可以减少风力作用中的偏心力；五是外墙等围护构建要与建筑物主体可靠的连接，防止局部破坏的现象发生。
2、超高层抗震设计计算
2.1超高层结构计算模型的确位一定要符合所用计算程序的边界条件：三维软件“TAT”采用空间杆系计算柱梁，采用薄壁柱原理计算剪力墙，平面刚度要求很大，楼层变形要协调一致，剪力墙的上、下洞必须对齐，开通或忽略，否则就会造成传力混乱和薄壁柱下端刚域复杂，易形成误差积累。
2.2高层结构剪力墙中连梁超筋的处理：高层结构中连梁受力很复杂，除承受竖向荷载外，水平地震作用下由于弯矩的形成，也会产生很大的内力，此外连梁两端的墙肢在水平力作用下的弯曲变形和竖向载荷下的压缩变形，都影响着连梁的工作受力。对于剪力墙和连梁，设计时也应严格遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的原则。 2.3高层结构计算完毕后，由于设备管道或其他要求，需在剪力墙增加洞口时，并不一定非要全部重新计算，可区分情形处理如下：
2.3.1当洞口位置设在剪力墙的中和轴附近或洞口较小，对剪力墙截面惯性矩减少在10%以内时，可只考虑对洞口构造加强，对其他剪力墙和框架的内力及结构的侧向变位影响可不考虑。
2.3.2当洞口位置偏离剪力墙截面中和轴较远或洞口较大，对剪力墙截面惯性矩减少在10%以上，30%以内时，除计算洞口加强钢筋外，还应按剪力墙刚度比例增加未新加洞口的剪力墙的剪力和弯矩，相应调整剪力墙配筋。对框架内力及结构位移可不做调整。
2.3.3当各层剪力墙普遍增加新洞口，且剪力墙总惯性矩减少在30%以上时，应全部重新计算结构内力和位移。
2.4框支剪力墙托梁上方墙体开洞后，对托梁内力的影响：由于商住建筑功能的特殊性，要求高层结构底部做大空间商场，上部住宅公寓要求剪力墙小开间，底部和上部在刚度上差别很大，因此框支结构在高烈度地区对抗震很不利，特别是转换水平和竖向荷载的转换层显得尤为重要，而其中受力最为复杂的是框支托梁。
3、超高层抗震构造
3.1框支（架）梁上开洞的构造：框支（架）梁或剪力墙的连梁，困机电设备管道的穿行需开孔洞时，应合理选择孔洞的位置，并应进行承载力计算及采取构造措施。孔洞位置应避开梁端塑性铰区，必要时也可设置在梁端L/3）L为梁跨度）区域内。也洞偏心宜偏向受拉区，其偏心矩e0≤0.05h0（h0为梁断面的有效高度）。小孔油洞尽可能预留套管，当设置多个孔洞时，相邻孔洞边缘净矩不应小于2.5h（h为洞口高度）。当矩形孔洞高度小于h/6及100毫米且孔洞长度小于h/3及200毫米时，其孔洞周边可按构造设置，上、下边纵向钢筋可采用2Φ12，箍盘采用Φ8，间距不应大于0.5h（h为洞口高度）及100毫米，孔洞边竖向箍盘也应加密。当孔洞尺寸超过上述限制时，也洞上、下边纵向钢筋应按计算确定，但不小于构造要求。
3.2剪力墙上双开洞时，中间小墙肢的处理：高层结构剪力墙内房间门洞间墙肢尺寸一般都较小，常常小于3倍的剪力墙厚度且可能不大于500毫米，这时的小墙肢就应该按柱来处理，但计算时发现其抗剪承载力往往不够。鉴于此种情况，在设计过程的计算中，可直接按剪力墙上开大洞口计算连梁和墙体，然后可按构造处理此门垛，由于地震作用对高层结构影响很大，因此门垛的设计还应考虑一定的抗震能力，通常可采用素混凝土加构造钢筋的做法。
4、最小剪重比的应用
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中5.2.5条对最小剪重比有明确要求。最小剪重比属于概念设计范畴，主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期較长结构的安全。剪重比是规范考虑长周期结构用振型分解反应谱法和底部剪力法计算时，因地震影响系数取值可能偏低，相应计算的地震作用也偏低，因此出于安全考虑，规范规定了楼层水平地震剪力的最小值。若楼层水平地震剪力小于规范对剪重比的要求，水平地震剪力的取值应进行调整，并应按调整后的地震作用确定层间位移角等重要结构指标。设计实践中，多遇地震分析时要求按规范谱和安评谱进行包络设计，因此在使用安评谱进行分析时，尚应根据地震安全性评价报告提供的地震峰值加速度对最小剪重比限值进行调整。并且在进行最小剪重比复核时，应按照相应方向第一主周期进行插值确定该方向的最小剪重比。
超高层结合设计条件对剪重比不足的情况进行分析。通过分析来合理地控制剪重比，使之结构具备合理的刚度。在增强结构刚度时，应尽可能增强结构整体刚度。在合理地控制了剪重比之后，如果仍然有剪重比不满足，这时就应该按照抗规要求人为调整地震剪力。总之，剪重比不足时，要先“分析”、再“控制”，最后来“调整”，从而保证超高层建筑抗震设计安全与经济。
5、结语
超高层结构的抗震设计是一项非常具有挑战和重大意义的事情，其涵盖了性能化设计方法、概念设计思想等诸多范畴，并随着科学技术的进步和分析手段的提高而不断发展变化。要求设计人员要充分理解结构含义，灵活运用结构概念与各项技术措施来实现结构的三水准设计准则，并满足技术与经济的双重平衡标准。
参考文献：
[1]王亚勇.台湾921地震中钢筋混凝土结构震害特征[J].工程抗震，2009（1）
[2]赵楠.基于菱形平面的超高层结构抗震设计[J].工程抗震与改造加固，2013，35（1）
[3] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S]