高层建筑结构抗震分析和设计的探讨 王小蒙

高层建筑结构抗震分析和设计的探讨王小蒙

发表时间：2017-10-10T14:02:00.920Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第11期作者：王小蒙

[导读] 钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的断面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。

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摘要：主要对高层建筑的抗震方面问题进行全面探讨及分析，根据工程实例中的一些经验和结论从宏观上确定结构设计中的基本问题。关键词：高层建筑；抗震设计；弹塑性动力分析；弹塑性静力分析

1 高层建筑抗震设计的必要性

20世纪70年代以来，结构工程师在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到宏观的“概念设计”比以往的“数值设计”对工程结构抗震来说，更为重要，因此，人们对于概念设计愈来愈重视。抗震概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等问题，从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。

2 我国高层建筑抗震设计中的一些问题

2．1 材料的选用和结构体系问题

我国150m以上的建筑，主要采用三种结构体系(框——筒、筒中筒和框架——支撑体系)，都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中采用框架——核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80％以上的震层剪力，有的高达90％以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。

2．2 轴压比与短柱问题

在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的断面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎，柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差。当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。但是在框架中若能保证强柱弱梁没计，柱子进入屈服的可能性就大大减少，此时可放松轴压比限值。另外，许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4，但并不一定是短柱。因为只有剪跨比w ／V ≤2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

3 高层建筑抗震分析和设计的趋势

我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计。即：用线弹性方法计算结构在小震作用下的内力、位移；用组合的内力验算构件截面，使结构具有一定的承载力；位移限值主要是使用阶段的要求，也是为了保护非结构构件；结构的延性和耗能能力是通过构造措施获得的。上世纪九十年代中期，美国学者提出了基于位移的抗震设计 (Displacement—Based Design，简称DBD)是一种全新概念的结构抗震设计方法。DBD 是实现基于功能的抗震设计(Performance—Based Design，简称PBD)的重要步骤。它要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。预期的地震作用一般是指大震。因此除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。为了实现基于位移的抗震设计，第一步需要研究简单结构(例如框架及悬臂墙)的构件变形与配筋关系，实现按变形要求进行构件设计；进而研究整个结构进入弹塑性后的变形与构件变形的关系。这就要求除了小震阶段的计算外，还要按大震作用下的变形进行设计，也就是真正实现二阶段抗震设计，这是结构抗震设计的发展趋势。

4 实行建筑抗震设计规范，总结工程经验妥善处理工程问题

4.1 选择有利的抗震场地

地震造成建筑物的破坏, 除地震动直接引起的结构破坏外, 场地条件也是一个重要的原因。地震引起的地表错动与地裂,地基土的小均匀沉陷, 滑坡和粉、砂土液化等。因此,应选择对建筑抗震有利的地段, 应避开对抗震不利地段, 如软弱场地土, 易液化土, 条件突出的山嘴,高耸孤立的山丘,非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘, 场地土在

平面分布上的成因、岩性、状态明显不均匀等地段;当无法避开时, 应采取适当的抗震加强措施,应根据抗震设防类别、地基液化等级,分别采取加强地基和上部结构整体性和刚度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施; 当地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、新近填土和严重不均匀土层时,应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响, 采用桩基、地基加固和加强基础和上部结构的处理措施; 对于地震时可能导致滑移或地裂的场地,应采取相应的地基稳定措施。基础设计时, 同一结构单元不宜设计在性质截然不同的地基土上, 也不宜部分采用天然地基部分采用桩基,不宜部分采用端承桩部分采用摩擦桩;高层建筑宜设置地下室, 应避免采用局部地下室。

4.2 设置多道设防的抗震结构体系

抗震建筑结构体系应根据建筑物的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素,经过技术、经济条件比较综合确定。首先宜有多道抗震防线, 应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力或对重力荷载的承裁能力。所谓多道抗震防线,是指在一个抗震结构体系中, 一部分延性好的构件在地震作用下, 首先达到屈服, 充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用, 即担负起第一道抗震防线的作用, 其他构件则在第一道抗震防线屈服后才依次屈服, 从而形成第二、第三或更多道抗震防线, 这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。同时底框建筑底层高度不宜太高, 应控制在4.5m以下。高度加大, 底层刚度减小, 重心提高, 使框架柱的长细比增