高层建筑结构抗震概念设计摘　要：通过学习运用规范，并结合多年来高层建筑结构设计实践，总结归纳高层建筑结构抗震概念设计的含义，同时分析了在高层建筑结构设计中如何合理灵活运用。 关键词：概念设计、抗震设防、刚度、延性   0 前言 　　为贯彻执行《中华人民共和国建筑法》和《中华人民共和国防震减灾法》并实行以预防为主的方针，国家制定了《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)。其建筑结构抗震概念设计在减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失方面，起着决定性作用。 1抗震概念设计一： 1.1上部结构：平正少歪，刚柔适度 　　平正少歪就是要求上部结构平面简单、规则、对称，减少偏心。结构设计中应力争： 　　(1)平面图形尺寸限制满足规范要求。 　　(2)楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半，开洞面积不宜超过楼面面积的30％，否则宜用抗震缝断开。 　　(3)竖向宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，侧向刚度宜下大上小，楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％。如框支结构、错层结构、上部或下部楼层部分抽柱，都是不规则和不利的，应采取相应措施，加强处理。 　　不平正的后果就是产生较大扭转。控制过大的扭转，除了满足以上关于平面、竖向、楼板开洞等有关规定外，在结构计算中还应满足： 　　(a)结构楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于1.5倍。 　　(b)结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度不应大于0.9。 　　刚柔适度，就是结构要不刚不柔，恰到好处。因为结构侧向刚度过刚，则费钱且地震力过大，而过柔则位移大，人不舒适，稳定性不够，地震时非承重墙破坏过多。刚度大必然位移小，周期短，延性变差，脆性变大；而柔性大，则位移增大，周期变长，延性虽增强，但稳定性变弱。因此要刚柔适度。 　　就房屋结构体系而言，刚柔顺序是：框架刚度<框剪刚度<剪力墙刚度<筒体刚度。 　　增大结构刚度的方法： 　　(1)框架结构：增大柱截面高度、梁截面高度，减小层高，采用多跨框架，使两外柱距离变大，减少单跨框架，避免半框架。 　　(2)框剪结构：增加剪力墙数量，使剪力墙组成筒体，增加与剪力墙相连的梁、柱断面尺寸。 　　(3)剪力墙结构：增加一般剪力墙数量，使剪力墙组成筒体，增加连梁高度，纵横剪力墙宜组成L形、T形和[形等，控制短肢墙数量。 　　(4)筒体结构：增加内筒长宽尺寸，不宜小于总高的1/12~1/15，减小外筒柱距，不宜大于4m，增加外筒梁高，不小于柱净距的1/4，减少窗洞面积。 　　控制刚柔适度的标准是： 　　(a)满足层间水平位移限值。 　　(b)满足周期参考值范围。 　　(c)满足规范中剪重比的要求。 　　(d)满足规范中规定的符合稳定的刚重比。 1.2地基基础：稳定必需，坚强为上 　　选择建筑场地避开不利地段是稳定必需之首位。高层建筑宜避开对抗震不利的地段，当条件不允许时应采取可靠措施，使建筑物在地震时不致由于地基失稳而破坏，或者产生过量下沉或倾斜。 　　建筑场地不利地段如： 　　(1)发震断裂带上可能发生地表的错位(死断裂除外)，这是最危险处； 　　(2)有可能发生滑坡、崩塌、地陷、泥石流等地段，也是属于危险地段； 　　(3)故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟槽古井等； 　　(4)石灰岩地区有溶洞存在的地段； 　　(5)软弱土、液化土以及半填半挖地段。 　　若遇不利地段，应采取如下措施： 　　(1)活断裂、滑坡等危险地段应严格避开。死断裂及破碎带可填补，或用桩基落入稳定的下盘。 　　(2)地下暗河、岩溶地区空洞范围小的可灌实，或将基础上抬，避开空洞，使其起拱，或用桩支承在空洞下方稳定岩层。 　　(3)液化土等可用桩支承。 　　(4)软弱土等可用复合地基加固。 　　(5)同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上，特别是半填半挖处。www.tmgc8.com 　　(6)同一结构单元不宜部分采用天然地基，部分采用桩基。 　　保证高层建筑稳定，要求基础应有一定的埋置深度。利用埋深基础四周土壤的被动土压力，以抵抗高层建筑承受水平荷载所产生的倾覆和滑移。规范要求天然地基基础埋深取房屋高度的1/15，桩基基础埋深取房屋高度的1/18。针对地下室分缝处，应有500以上空隙用砂回填夯实；如地下室一面为开口，应保证开口以下至少2米以上覆土。 　　选择建筑场地如能选择有利地段，则为最上方案。有利地段包括：稳定岩石、坚硬土、开阔平坦密实均匀的中硬土等，以上地段属于场地类别为I、II类，其特征周期Tg较小，引发地震力相对较小，能产生较好经济效果。 　　除地段外，基础形式也很重要。高层建筑应采用整体性好，能调节不均匀沉降的基础形式，即宜采用筏形基础；必要时可采用箱形基础，也可采用交叉梁基础或单独基础，基础下可用天然地基、桩基或复合地基。采用天然地基的筏形基础比较经济。 　　在地基土比较均匀的条件下，箱形基础及筏形基础的平面形心宜与上部结构竖向永久荷载的重心重合。当不能重合时，偏心距e<=0.1W/A，低压缩性地基及端承桩的地基的基础，可适当放宽。高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，零应力区不应超过基底面积的 15%。 高层建筑宜设地下室。 1.3抗震设防：不裂不倒，可修钱少 　　小震不裂，大震不倒，中震可修；所谓钱少，就是按规范办事，该设防的必须设防，少花钱多办事。 　　第一水准是50年内超越概率约63%的地震烈度为众值烈度，比基本烈度约低一度半；第二水准为50年超越概率约10%的地震的烈度即基本烈度；第三水准是50年内超越概率2%~3%的烈度可作为罕遇地震的概率水准，当基本烈度6度时为7度强，7度时为8度强，8度时为9度弱，9度时为9度强。第一水准为多遇地震，第二水准为设防地震，第三水准为罕遇地震。 　　第一水准烈度时，建筑处于正常使用状态，可视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析；第二水准烈度时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或损坏控制在可修复范围；第三水准烈度为予估罕遇地震时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌。 　　按第一水准设计时，采用地震荷载的标准值，控制结构的变形；按第二水准设计时，采用地震荷载的设计值进行结构构件的截面承载力验算。对大多数的结构，可只进行第一水准和第二水准的设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。 　　第三水准设计是弹塑性变形验算，对特殊要求的建筑，地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，除进行第一水准、第二水准设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。 以上归纳起来就是：按小震保证变形，按中震保证强度，按大震保证薄弱层。 2 抗震概念设计二： 　　传力明确，多道设防 　　传力明确，就是要有明确的计算简图和合理的地震作用传力途径，如剪力墙洞口不成列、缺洞口、或洞口错开均不好，剪力墙必须大部分落地，框支梁柱是少数，框支梁传框支梁很不好，单柱框架应限制不用，单跨框架不宜采用；楼板是各片抗侧力结构之间传力的重要工具，楼板开洞或错位不利，应采取加强措施等。 　　多道设防，就是宜有多道抗震防线，避免因部分结构破坏而导致整个体系丧失抗震能力。 　　框架结构应使梁的屈服先于柱的屈服，利用梁的变形来耗能，从而使框架柱退居第二道防线。其措施就是梁端调幅。 　　框剪结构应使剪力墙连梁首先屈服，然后是墙肢；要使墙肢易屈服，必须是墙肢稍短、洞口较多的联肢墙，因此规范规定限制墙肢过长。最后框架作为第三道防线。 　　对剪力墙结构，通过构造措施，保证连梁先屈服，如连梁折减刚度，少配纵筋、配交叉抗剪筋，并通过空间整体性形成高次超静定等。 3 抗震概念设计三： 　　良好延性，耗能减震 　　结构构件除应具有必要的承载能力，还应具有良好的延性和较多的耗能潜力，防止过早的剪切、锚固和受压等脆性破坏。www.tmgc8.com 　　所谓延性，就是结构受地震屈服后进入塑性变形阶段，其变形能力的大小。变形越大，就是延性越大，用公式表示：μ=Xmax/Xy 即结构的最大相对位移反应Xmax与屈服位移Xy的比值，μ越大表示塑性变形越大，延性越好，因为地震耗能是靠强度和塑性变形能力的综合，即充分变形而不倒。 　　提高哪些部位结构的延性，能使结构在进入塑性阶段后仍具有较强的变形能力呢？(1)在竖向：对沿高度变化不大的建筑，着重提高底层的构件延性，这就是设置底部加强区的道理。对于大底盘建筑，着重提高主楼与裙房顶面相接处楼层中构件的延性。对于不规则立面建筑，加强突变处楼层的构件延性。对于框支托墙体系，应着重提高底下几层框架的延性。(2)在平面位置上，着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相交处的构件延性，这就是角柱加强的缘由。(3)框剪结构中着重提高剪力墙的延性，筒中筒结构重点提高实墙内筒的延性。 　　保证延性，就是防止脆性破坏。脆性破坏是指剪切、锚固和压脆等突然而无事先警告的破坏形式，因此要提高抗剪能力(提高箍筋含量并加密箍)、抗压能力(减小轴压比)，加强箍筋约束，加强主筋锚固。对砌体结构，应设置钢筋混凝土圈梁和构造柱以改善变形能力。 4 抗震概念设计四： 　　刚梁柔柱，强柱弱梁，强剪弱弯，节点更强 　　框架作为主要受力构件，对结构安全至关重要。框架设计应避免剪切先于弯曲破坏，避免混凝土的压脆先于钢筋的屈服，避免钢筋锚固粘结先于构件破坏。目的就是使塑性变形开裂耗能而不致遭受脆性破坏。因此框架设计应符合：刚梁柔柱，强柱弱梁，强剪弱弯，节点更强。 　　刚梁柔柱，就是让节点弯矩多分配一点给梁端；强柱弱梁，就是在配筋方面让柱多配一点，梁配筋恰当；强剪弱弯，就是梁顶弯矩可以调幅，而剪力不能调幅，剪力还可按实际弯矩配筋调大，剪力配筋强于弯矩配筋；节点更强，是加强节点配箍及纵筋锚固，施工中应注意钢筋间距，以便施工易于振密，保证节点稳固。目的是梁可裂而柱不能倒，梁一裂地震力减小，柱就能保。 　　如何保证柱子不倒？(1)柱虽要柔，但还要满足轴压比，即柱子的混凝土承载力要满足； (2)柱子纵筋要配足；(3)柱箍筋要符合受力和规范要求； (4)梁柱节点采取箍筋加密，保证节点更强；(5)角柱有扭转是重点； (6)短柱即剪跨比过小的柱，因过于刚性易脆性破坏是重点，因此规范要求柱剪跨比宜大于2； (7)框支柱因其受力特殊，是重中之重。   参考文献： [1]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002) [2]《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)
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