关于结构超限设计与超限审查若干问题的思考与建议

关于结构超限设计与超限审查若干问题的

思考与建议

张 剑

（深圳大学建筑设计研究院，深圳 518000）

提 要本文分析与探讨了超限高层建筑工程抗震设计与超限审查出现的关于超限标准、抗震性能目标、中震与大震分析、剪重比的控制问题、框剪比的控制问题、弱连接楼盖、通高柱的大震稳定性、扭转周期比的控制等问题，并提出了相关建议。

关键词 超限高层建筑工程， 超限设计，超限审查

1 引言

随着高层建筑的高度不断攀升、功能方面不断复杂化、美观方面不断标新立异，高层建筑结构的构成、形态及性能日趋复杂，现有结构设计规范难以有效控制其结构设计，从而导致“超限高层建筑”的出现。对大多数设计机构来说，仅凭自身的设计力量及传统的设计方法，难以满足超限高层建筑安全性与经济性的目标要求。为此，在政府的政策要求下，针对超限高层建筑的结构设计，设计机构应充分挖掘与发展内部设计力量，同时应借助于专业公司的精细技术、专家们的咨询与审查意见等社会资源,对结构进行多方面深入论证分析、改进设计及设计验证，使其结构设计能可靠地满足结构安全性与经济性的目标要求。对建设单位来说，超限高层建筑的超限设计与超限审查是一个消耗人力、物力、财力及工期的过程，仅就其工期来说，短则1个月，长则2~3个月。所以，为了使超限设计与超限审查真正做到有益于结构的安全性与经济性，对相关问题进行探讨与研究具有积极意义与实用价值。

2 超限标准

什么样的高层建筑超限，这是超限设计与超限审查首要问题, 也是建设单位非常关注的问题。全国与部分地方主管部门均发布了《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，该文件详细说明了什么样的条件构成超限高层建筑工程，但仔细分析后，会发现以下值得商榷与改进的问题。

1) 部分不规则类型条件仅有类型，而无相应量化指标，使人难以判断；

如复杂连接、多重复杂、构件间断、厚板转换等不规则类型。

2) 部分不规则类型之间不关联，如两重复杂与两项不规则并不构成超限高层建筑工程，例如：某高层建筑存在加强层和错层两重复杂且具有扭转不规则和楼板不连续两项不规则类型，而现有超限标准并不认为它是超限高层建筑工程,但此结构已很复杂，其抗震设计应需要进行深入细致的论证。

3) 未考虑不规则类型的严重程度，即现有超限标准并不考虑指标超出限值程度的影响。另外，在结构适用高度上也存在判断结论上的不连续性，如6度区混凝土框架-核芯筒结构的适用高度为150m,有的设计将建筑高度设定为149.85m，以避免超限设计与超限审查。其实从结构安全性来说建筑高度为149.85m与150.1m并多大无差异。较科学的分类指标是应依据系统突变的参数来确定，虽然系统突变的参数难以寻找,但可对判断结论不连续性的问题加以改进。

基于上述问题，本人建议采用综合评分法来改进超限判定方法，其具体做法如下：

1）先对无量化指标的不规则类型进行量化

选取最能反映不规则类型本质特征的指标来描述不规则类型的特性，如构件间断及厚板转换的不规则程度可采用被转换的轴向力总和与上部塔楼结构重量之比等。

2）根据指标对每一个不规则项进行评分

先以不规则项临界指标（如适用高度）进行区域划分，即考虑不规则类型的严重程度，可分4档，即第一档为指标超临界指标20%以内，第三档为指标超临界指标80%以上，第二档介于第一档与第三档之间，第四档为指标小于临界指标10%以内。第一档评分为1.0分，第二档评分为1.3分，第三档评分为1.5分，第四档评分为0.5分。

3) 对每一类型设置不同权重，然后算得加权和即得综合评分

4）利用综合评分定义不同的结构超限程度

综合评分介于 3~4分时，结构为一般超限程度，4~5分为严重超限，5分以上为特别严重超限。对特别严重超限的结构，应尽量避免或通过建筑与结构专业的修改减弱超限程度或请由资深专家构成的专家组进行咨询与审查。

3 抗震性能目标

在结构安全与经济双重目标要求下，如何确定结构在中震与大震作用下的性能目标即是抗震设计的重要工作，其中关键问题是目标的合理性与协调性。

目标的合理性主要指抗震性能目标如何适用安全与经济的双重要求，即如何平衡好结构安全性与经济性的关系。经常遇到的情况是抗震性能目标定得过高或过粗，使结构经济性不佳。如不区分结构重要性或不考虑弯曲与剪切破坏模式的特点，笼统地将结构大部分构件指定为中震弹性。较合理的做法应是：对超限设计，首先应将目标细化，形成不同安全水准的目标体系，如目标可分为中震不屈服(材料强度采用标准值，作用值采用标准值)、中震弹性 (材料强度采用设计值，作用值采用设计值)等；二是将结构各部位划分为关键构件(转换结构、底部加强区柱及墙等)、普通竖向构件和耗能构件，对各部位赋予不同的抗震性能目标；三是将弯曲与剪切破坏模式分开，对脆性破坏的剪切过程，其性能抗震目标适当定高一些；对延性破坏的弯曲过程，其抗震性能目标适当定低一些。

目标的协调性主要指各部位目标之间的协调性，其协调性源于结构破坏过程的关联性。如对剪力墙结构中的转换结构，仅将转换梁和柱的抗震性能目标指定为中震弹性，就忽视了转换层楼板抗震性能目标或是将其抗震性能目标定得偏低，其实，转换层楼板也在起着转换的作用，它将剪力墙底部的剪力传递到落地竖向构件上，所以宜将其抗震性能目标指定为与转换梁及柱相同或相近的抗震性能目标。

另外一个问题是构件的抗震性能目标与抗震等级的关系问题，本人认为二者均是强化构件安全性的标准，抗震性能目标与构件的受力定量相关，而抗震等级则是按构件定性来确定，所以，按抗震性能目标来强化其安全性更为合理，故抗震等级可按有关规定执行即可，不宜随意提高。在可行性论证报告中还有一个常见的相关问题，即前面的内容对某构件设定了抗震性能目标，但后面的内容则缺相应的分析和加强措施及目标是否可实现的验证过程。

4 地震作用下安全性与其它作用下安全性的关系

一般认为，超限设计与超限审查主要针对工程抗震设防而言，即主要研究地震工况下的安全性。