[ 摘 要 ] 本文介绍了何谓超限高层建筑，为何要进行专项审查，其审查的基本内容及其相关规定条文的系列说明与体会。

[ 关键词 ] 超限高层建筑 抗震审查 

A Few Ideas about Seismic Examination of Tall Building Over Code Limit

 QIAN Guozhen¹，GAO Limin¹，TU Zhongyao¹，GU Jianfei²

(1．Hangzhou Tianyuan Architectural Design and Research Institute，Hangzhou 311201，China;

2．Department of Civil Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

 Abstract: This article produces the concept of tall building over code limit and why it must be specially audited and the essential content of the seismic examination and the correlative clauses.

Keywords: Tall Building Over Code Limit；Seismic Examination

1前言

    建设部早在2002年就发布了111号令《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》，明确了在各省、自治区、直辖市对此类工程管理，应由相应省级建设行政主管部门负责。并规定若在抗震设防区内要进行超限高层建筑工程建设时，建设单位应在初步设计阶段向当地省级建设行政主管部门提出专项报告。依悉国外像日本也有类似审查规定，可见各国政府对此工作的重视程度。但是很多设计人员，特别是建筑师们对此方面的规定还不十分熟悉，为此我们就以下几方面谈谈体会。

 2 何谓超限高层建筑

     在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）^[1]和《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3-2002，J186-2002）^[2]中对钢筋混凝土高层建筑的结构类型所适用的最大高度，高宽比和体型规则性都作了详细的定量规定。具体可有文^[1]的第6.1.1条，文^[2]的第4.2.2条，文^[2]的第4.2.3条，文^[1]的第3.4.2条及文^[2]的4.3节、4.4节规定中查得。一般以上三个方面至少应有一方面满足规范要求。而体型规则性规定，在文^[1]的第3.4.2条中将其具体化为六个方面，即平面不规则的三种类型：①扭转不规则；②凹凸不规则；③楼板局部不连续。和竖向不规则的三种类型：①侧向刚度不规则；②竖向抗侧力构件不连续；③楼层受剪承载力突变。这六个方面一般都可直接从建筑设计平剖面图和电算输出结果中查得，而对照规范相应限值进行核查。

     另外《高规》^[2]还规定了五种结构为复杂高层建筑结构，包括：①带转换层的，②带加强层的，③错层结构，④连体结构，⑤多塔楼结构。以上与超限高层的有关规定有的直接相关，有的并不直接相关，如带转换层的必然是竖向抗侧力构件不连续的竖向不规则结构，错层结构也可能是楼板局部不连续，带加强层的可能会造成侧向刚度或抗剪承载力突变，连体、多塔结构易产生多向耦联振动，对高振型与扭转更敏感。但最后要根据实际电算结果来判断到底属哪一类超限高层。

    《抗规》^[1]与《高规》^[2]的说明中还将不规则程度分为三类：一为一项及以上超过第3.4.2条限值指标的为不规则高层建筑；二为多项超过以上限值或某一项超过较多，具有明显抗震薄弱部位的，称为特别不规则高层建筑；三为复杂高层又多项超限值，某一项大大超限值，具有严重的抗震薄弱环节的，称为严重不规则高层建筑，此类高层不容许建造。以上规定基本上参考了美国规范(1997)与欧洲规范8。

3 为什么对超限高层要进行严格的审查

    这就要从我们目前的技术基础说起：

    首先，我们现在设计高层建筑的规范与抗震分析方法，都是建立在目前的科学技术水平之上的。规范中所推荐的反应谱法与时程分析法等并不完满，它们都采用了一系列假定。特别是反应谱法，它把一高层建筑假定为一个质量串，认为它们的重心都在一条垂线上，而且它对地震三要素：峰值加速度、频谱组成与持续时间，只考虑了峰值加速度，频谱组成仅近似地考虑了振型耦合，对持续时间根本不考虑，而这恰却对结构输入地震能大小的影响是十分关键的因素。由于以上原因，我们必须要求建筑十分规则，方能适用于我们现行规范的计算方法。如果规则性方面离规范限值太多，实际上规范的计算方法已不适用，那电算输出的结果的可靠性就成了问题。而一般设计人员常常认为我们计算满足就可以了，而忽略了计算方法本身的适用范围，当然对超限高层的控制的目的，就是要保证在现有的设计水平前提下，使被审查的工程都能在现有计算方法的适用范围之内，以保证其计算结果的可靠、可信。

    其次，我们选用的结构类型都有一定的适用范围，超过了这个范围，我们采取的构造措施也许会缺乏实践的经验，而且会给经济性、技术合理性、可行性带来大问题，因此对各种类型的结构，规范都限定了它的适用高度，如果设计人员一味要超过某种结构的限值高度，就会带来技术上的可行性与可靠性问题，并且还会带来经济性问题。如果A级高层建筑超过了限值高度，那么就要按B级高度的高层建筑进行设计，其实质即是要提高其结构的抗震等级（详见文^[2]第4.8.3条）。

    再次，对高宽比的控制，主要是为了保证结构的整体稳定性，并对总刚度、承载能力、经济合理性进行宏观控制，使主结构受力合理均衡、易满足变位条件，以保证正常的使用与降低造价。

 4 关于三个超限规定的具体控制问题

     4.1 房屋适用高度超限问题

    文^[1]中的表6.1.1与文^[2]中的表4.2.2-1同样表达了一般RC高层房屋的最大适用高度限值。但文^[2]中更详细地规定了下列几种更严格的限值修正的规定：

    4.1.1 将高层分为A、B两级，将B级高层虽然在适用高度上有所放宽，但在抗震等级和计算控制参数方面采用了更为严格的标准（详见文^[2]4.2节，第4.3.5条，第4.8.3条，第5.1.13条，第10.2.10条等）。

    4.1.2 具有较多短肢剪力墙的结构，其最大适用高度应适当降低（文^[2]第7.1.2条）。

    4.1.3 平面和竖向均不规则的结构，最大适用高度应适当降低（文^[2]第4.2.2条）。

    4.1.4 Ⅳ类场地上的结构，最大适用高度也应适当降低（文^[2]第4.2.2条）。

     4.1.5 剪力墙、框架—剪力墙结构为错层高层结构时，适用高度要减少，底层有转换层的筒中筒结构，当外筒框支层上采用壁式框架时，其适用高度也要减少（详见文^[2]第10.1.3条）。

    4.1.6 裙房的高度一般不应超过主楼的15%，若≥20％时裙房的平面尺寸应按文^[2]第4.4.5条控制上部高层收进尺寸与裙房尺寸比不宜小于0.75倍。

    4.2 房屋的高宽比超限问题

    文^[2]中第4.2.3条分别规定了A级、B级高层的最大高宽比限值。还规定了下列具体情况：

    4.2.1 钢框架、型钢混凝土框架与RC剪力墙的混合结构其限值可放宽（文^[2]第11.1节）。

    4.2.2 一般可考虑最小投影宽度计算高宽比（文^[2]第4.2.3条说明）。

    4.2.3 宽出建筑物平面很小的局部结构（如楼电梯间），不计入计算宽度（文^[2]第4.2.3条说明）。

    4.2.4 裙房若其面积和刚度比其上高层大时，可按其上部分计算高宽比（文^[2]第4.2.3条说明）。

    4.3 房屋的平面规则性超限问题

    文^[1]中表3.4.2-1，文^[2]中4.3节分别对此作了规定：

    4.3.1 扭转不规则。主要用计算数值控制，首先是楼层，即楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于其两端平均值的1.2倍，此为超限标准。若A级高层大于1.5倍，B级高层大于1.4倍，此为不容许的限值。其次是控制扭转基本周期与平动基本周期的比值，其中A级不应大于0.9，B级不应大于0.85。前者主要控制平面布置的不规则性，避免产生过大偏心，使地震时产生过大扭矩。因最大位移与平均位移的比值为1.2时，刚性楼层两端位移绝对值已达到1.45倍，若两者比值为1.5时，则绝对值可达3.0倍，可见其影响决不能忽视。后者主要控制抗扭刚度，其如太弱，则会使抗扭第一周期延长，而使接近平动第一周期值，这时易产生二者耦联振动，造成结构破坏。因此平面不规则的结构必须适当增加抗扭刚度以缩短抗扭第一周期（详见文^[2]第4.3.5条）。

    4.3.2 凹凸不规则。此主要是对建筑平面图设计的尺寸控制。它主要从两方面进行控制：其一是整体长宽比控制，因平面过于狭长使倾斜的地震波对两端易产生较大相位差，而产生不规则的耦联振动，造成较大震害；其二是局部长宽比控制，因平面外伸段太长易产生局部振动，并使四角剪力流不畅通，而造成内凹角处破坏（详见文^[2]第4.3.3条）。

    4.3.3 楼板局部不连续。此主要控制建筑平面的开洞与错层。这因为我们目前大多数电算程序都采用了平面刚性假定，即平面内楼板刚度无限大，因而不考虑其变形影响。但当楼层开孔过大或太狭长时，楼板在地震时会产生较大平面内变形，这必然会对计算结果正确性带来问题。错层楼面相当于一半以上的楼面是孔洞，因此也要限制。以上详见文^[2]第4.3.6条，它主要控制其三方面尺寸：①开洞宽度＜50％楼面宽度；②开洞面积＜30％楼面面积；③开洞后楼板最小净宽＞2m(详见文^[2]第4.3.6条)。

    4.4 房屋的竖向规则性超限问题

    文^[1]表3.4.2-2与文^[2]的4.4节中对此作了详细规定。其中：

4.4.1 侧向刚度不规则。它主要是电算数值来控制的。即为该层侧向刚度小于上一层的70％，或小于其上连续三层刚度均值的80％；还有局部收进尺寸大于相邻下一层的25％。这主要考虑了侧向刚度突变易产生薄弱层，一旦在时程分析中过早产生薄弱层，将大大降低房屋抗倒塌能力，因此十分不经济、不安全。采用PKPM系列电算时，此控制值常有输出。若其他程序无此输出时可取用该楼层剪力和其层间位移的比值作近似侧向刚度，以作补充计算比较。

4.4.2 竖向抗侧力构件不连续。这时必须设置转换层，这从建筑的平剖面图中即可查得。从各地震害调查表明，这是一种最危险的超限情况。文^[2]第10.2整整一节和第4.4.5，4.4.6条中对这类结构，从采用条件、结构布局、限定应力分析、计算增大系数、提高抗震等级和增加抗震措施诸多方面都作了规定。因此设计人员一般情况下，应尽量避免采用此类超限结构。

4.4.3 楼层抗剪承载能力突变。它也可从电算结果的数据来控制。在文^[1]的表3.4.2-2中，文^[2]的第4.4.3条都对此作了限定。它具体规定为：其层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于上一层的80％，不应小于上一层的65％，对B级高层不应小于上一层的75％。所谓的楼层层间抗侧力结构受剪承载力是指相应方向的全部柱、剪力墙的受剪承载力之和。其实质也是控制不使竖向抗侧刚度与承载力产生突变，而产生薄弱层。按理高层结构各层所承受的总地震作用水平力，应该从上层到下层逐层增加，因此若按抗剪等强度的要求，其层间抗剪承载力也应逐层增加，如果不增加，当然也不能减少，若减少太多必然会在下层产生薄弱层，从而提早出现塑性铰导致破坏，这是不安全且不经济的，因此设计中应进行控制。

5 抗震等级问题

    5.1 抗震等级是关系到设计计算参数取值与构造措施水准的要素，因此在审查中必须严格把握。它常常涉及下列诸方面，如：①柱端、梁端抗震墙的剪力增大系数取值（文^[1]第6.2.2－6.2.8条）；②底层柱底截面弯矩增大系数取值（文^[1]第6.2.3条）；③节点核心区的抗震验算问题（文^[1]第6.3.14条）；④柱、剪力墙轴压比限值（文^[1]第6.3.7，6.4.5，6.4.6条）；⑤梁、柱的最小配筋率、配箍率、箍筋加密区长度最大间距最小箍筋等（文^[1]第6.3.3，6.3.8，6.3.12条）；⑥受拉筋锚固长度、连接方法选取（文^[2]第6.5.3条）；⑦剪力墙厚度（底部加强部位与其他部位）（文^[1]第6.4.1条）；⑧剪力墙底部加强部位的剪力增大系数及约束边缘构件的设置要求（文^[1]第6.4.7，6.4.8，6.2.8条）；⑨剪力墙竖向、水平分布筋配筋率与边缘构件配筋要求（文^[1]第6.4.3，6.4.8条）；⑩带转换层高层，其薄弱层地震剪力的增大系数与框支梁的配筋设计，框支柱的弯矩、剪力、轴力增大系数与配筋设计（文^[2]第10.2.6－10.2.14条）；如此等等。由上可知，抗震等级涉及抗震设计的诸多方面，必须严格控制。

    5.2 抗震等级是由以下因数确定的：①其基本抗震等级是按结构类型、高度、设防烈度来选用的，详见文^[1]表6.1.2，文^[2]表4.8.2；②若为B级高层建筑，应相应提高，则应按文^[2]表4.8.3选取；③若为有框支的则上述表中选取比无框支相应提高的抗震等级；④若为高位转换，则要相应提高一级（文^[2]第10.2.5条）；⑤若为短肢剪力墙也要提高一级（文^[2]7.1.2条）；⑥若为错层柱应提高一级（文^[2]第10.3.3条）；⑦连体结构的连接体与其相邻的结构构件也应提高一级（文^[2]第10.5.5条）。

    5.3 裙房、地下室与框－剪体系中的框架等结构的抗震等级。

    在《抗规》^[1]第6.1.3条说明中，详细分析了此问题。高层结构与裙房间不设缝时，因其刚度突变，所以主楼与裙房顶层相关的上下层各一层影响较大，需增强抗震措施，裙房抗震等级不应低于主楼。若设缝时，考虑大震时会产生碰撞因此也应加强，但抗震等级可按裙房自身结构参数确定。

    地下室的抗震等级要看计算时将结构的嵌固端设在何处，若设在地下室最底层底板处，则整个地下室抗震等级与上部结构相同；若设在地下室顶板处，则只需地下一层与上层结构同，而一般情况地下二层以下抗震等级可按三级或更低处理。若地下室上无上部结构时，其抗震等级可根据具体情况取三级或四级。

    框－剪体系在基本振型地震作用下，若框架部分承受的地震倾覆力矩已超过总地震倾覆力矩的50％时，则应按框架结构确定结构抗震等级，即相应提高了等级。

    若在高度分界线附近时，还应考虑规则性、场地类别等条件确定偏上还是偏下。

6 明确的计算简图与合理的地震作用传递途径问题

    在《抗规》^[1]第3.5.2条是强制性条文，其中第1款提到结构应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。一般地震作用下每层的水平地震作用力，常通过柱、剪力墙与斜杆一层层传至基础，其传力的途径越直接、越短越好，这样可减少结构的能耗，自然会带来经济与安全的效果。另外反应谱法假定各层重心皆在一条垂线上，若偏心太大，如采用转换层结构等等都不符合这个假定，而且使传力途径弯折，因此不是合理的传力途径。《抗规》^[1]、《高规》^[2]中对此多处作了限制性规定，如：

6.1 文^[1]的附录E和文^[2]的第10.2.2条限制了高位转换，第10.2.10条限制了次梁的转换，文^[2]的第10.2.3条对转换层的框－支剪力墙，落地剪力墙构造与布局作了限制，另外还对厚板转换层的应用范围作了限制。可见这个问题在概念设计中占十分重要的地位。

6.2 同一个结构受力单元中，不容许部分有RC框架与砌体墙混合承重，因为这样计算简图无法明确，另外凡RC结构的屋顶机房、水箱间等皆不能采用砌体承重，这在文^[2]的第6.1.6条作了强制性规定。

6.3 同一结构受力单元的基础，宜采用同一类型的基础（文^[1]第7.3.13条）。

6.4 不宜将楼面主梁支承在剪力墙间的连梁上（文^[2]第7.1.10条），因为这样会造成传递地震作用力途径不畅。而且连梁本身剪力已很大，框架梁的弯矩又将转化为连梁的扭矩，使其很容易被剪切破坏，因它是一种脆性破坏，对全局影响较大。

6.5 框架—剪力墙结构纵横双向均应布置剪力墙结构。一般设计往往对横向较注意，而常常忽略纵向抗侧力结构，若两个方向抗侧刚度相差太大，在地震作用下易产生扭转效应。而且纵向主要靠框架抗侧，若抗侧总弯矩不到50％，就要按框架结构处理（详见文^[2]第8.1.5条）。

6.6 为了保证上部建筑的地震作用水平力能通畅地传递到土层，还必须控制基础底面的零应力区与保证基础的埋深（详见文^[2]的第12.1.6-7条）。

6.7 剪力墙平面内刚度很大，平面外刚度小得多，而且一般程序都不验算墙平面外的承载力。因此，必须从严控制剪力墙平面外的弯矩，控制与平面外框架梁直接相交，否则必须采取强化构造措施（详见文^[2]的第7.1.2，7.1.7条）。

7 若干设计计算要求问题

7.1 按审查要求，一般超限高层皆应采用两种或两种以上认可的不同模型的程序进行分析。

7.2 对凹凸不规则、楼板局部不连续的平面不规则高层结构，应采用考虑弹性变形的计算模型的程序，当平面不对称时还应计及扭转影响（文^[1]第3.4.3条）。

7.3 对竖向不规则的，应采用空间结构计算模型的程序，且弹性层间位移角限值已超过文^[1]表5.5.1所规定的限值时，则需进行弹塑性变形验算（文^[1]第3.4.3，5.5.2条）。

7.4 对连体结构，国内外震害调查表明，连接体塌落较多，且主体结构破坏严重，因此必须进行详细的计算分析并宜做模型试验（文^[2]第10.5.3－10.5.5条）。

7.5 对错层结构不能将二错层合为一层计算，而必须将它作二层分别输入计算（文^[2]第10.4.3条）。

7.6 对多塔结构、带裙房的高层结构，不能将其折成多个计算单元分别计算，而应作为一个结构单元进行整体计算。

7.7 对有转换层的结构，因其在转换大梁、斜杆、桁架中存在轴向力，而一般PKPM系列软件皆采用平面刚性假定，因此无法算出轴力，为此必须采用[12×12]的梁单元的程序或其它有限元程序进行应力分析，以补足拉力配筋（文^[2]第10.1.5，10.2.10条）。

7.8 对质量和刚度明显不均匀、不对称的不规则结构，应考虑双向地震作用下的扭转影响。有斜交抗侧力构件时，当交角＞15°时，应考虑斜向地震作用（文^[2]第3.3.2条）。

7.9 一般在计算单向地震作用时应考虑偶然偏心影响。但对不规则结构，因现在一般程序中都未计及双向地震作用下的变形计算，故建议在考虑双向地震作用时仍考虑偶然偏心的影响，这样在计算楼层扭转位移比时更接近实际、因此更安全。偶然偏心取值为：0.05L（文^[2]第3.3.3条）。

7.10 当梁高较小或采用偏梁时，还应验算刚度与裂缝（文^[2]第6.3.1条，文^[1]第6.3.2条）。

7.11 当抗震墙墙肢长度≤墙厚3倍时，应按柱要求进行设计（包括计算与构造措施）（文^[1]第6.4.9条）。

7.12 板柱－抗震墙结构，抗震墙应承担全部地震作用，板柱应承担不小于20％（文^[1]第6.6.5条）。7.13 带转换层的高层结构，以下部位需考虑增大系数：

7.13.1 薄弱层地震剪力一般应乘以1.5增大系数（文^[2]第5.1.14条），但对特一、一、二级的转换构件的水平地震作用内力应分别乘1.8、1.5、1.25增大系数（文^[2]第10.2.6条）。

7.13.2 一、二级与转换构件相连的柱上端和底层柱下端截面的弯矩组合值应分别乘以增大系数1.5、1.25，框支角柱在此基础上再乘以1.1（文^[2]第10.2.12条）。

7.13.3 一、二级框支柱由地震产生的轴力应分别乘以增大系数1.5、1.2（文^[2]第10.2.12条）。

7.13.4 特一、一、二级落地剪力墙底部加强部位弯矩设计值，按地震作用组合的弯矩值再分别乘以增大系数1.8、1.5、1.25。特一级剪力增大系数取1.9。（文^[2]第10.2.14条）。

参考文献：

[1]  GB50011－2001,建筑抗震设计规范[S].

[2]  JGJ3－2002,J186－2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]  QIAN Guozhen. Problems in Traditional Earthquake Resistant Designs of Building and Improvement Ways. Proceedings of Iternational Conferene on Engineering and Technologocal Sciences 2000,Chinese Academy of Engineering 2000.10.Beijing.P.866-872.