高层建筑结构抗震设计的几点思考

2012-03-23黄俊

城市建设理论研究 2012年4期

摘要：高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构设计入手，选择结构平面、立面布置、尽量规则，以及抗震和抗风性能好的结构体系，并通过控制这些指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好、更安全、耐久的节能环保效果。

关键词：高层建筑；抗震设计；布置原则；方法技巧

中图分类号：TU97 文献标识码：A文章编号：

Abstract：The high-rise building structure design is a complex process, should from the structure design of choice structure horizontal plane, elevation layout, try to rule, and seismic and the wind resistance good structure system, and through the control these indicators, make the top the structural layout more reasonable, achieve better and more safe, durable of energy conservation and environmental protection effect.

Keywords: high building; Seismic design; Layout principle; Method and techniques

一、高层建筑结构抗震设计的布置原则

在高层建筑结构设计中，当结构体系确定后，结构总体布置应当密切结合建筑设计进行，使建筑物具有良好的造型和合理的传力路線。因此，结构体系受力性能与技术经济指标能否做到先进合理，与结构布置密切相关。

一个先进而合理的设计，不能仅依靠力学分析来解决。因为对于较复杂的高层建筑，某些部位无法用解析方法精确计算。因此，还要正确运用“概念设计”。“概念设计”是指对一些难以做出精确计算分析，或在某些规程中难以具体规定的问题，应该由设计人员运用概念进行判断和分析，以便采取相应的措施，做到比较合理地进行结构设计。以下论述的诸方面均须用概念设计的方法加以正确处理。

1、结构平面布置

高层建筑的开间、进深尺寸和选用的构件类型应符合建筑模数，以利于建筑工业化。在一个独立的结构单元内，宜使结构平面形状和刚度均匀对称。需要抗震设防的高层建筑，其平面布置应符合下列要求：

1)平面宜简单、规则、对称、减少偏心。

2)平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过长，值宜满足有关要求。

3)不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。

2、结构竖向布置

高层建筑的高宽比不宜过大，一般将高宽比控制在5～6以下，当设防烈度在8度以上时，限制应更严格一些。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。

3、变形缝的设置

在高层建筑中，为防止结构因温度变化和混凝土收缩而产生裂缝，常隔一定距离设置温度伸缩缝；在高层部分和低层部分之间，由于沉降不同设置沉降缝；在地震区，建筑物各部分层数、质量、刚度差异过大或有错层时，设置防震缝。温度缝、沉降缝和防震缝将高层建筑划分为若干个结构独立的部分，成为独立的结构单元。

二、高层建筑结构的内力与变形问题之分析

1、水平作用成为决定因素

在低多层建筑中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构的设计，而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，而水平作用却起着决定性的作用。随着建筑层数的增多，水平作用愈益成为结构设计中的控制因素。一方面，因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中引起的轴力与弯矩，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平作用对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对某一特定建筑而言，竖向荷载大体上是定值，而作为水平作用的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2、轴向变形不容忽视

1)对连续梁弯矩的影响采用框架体系和框架—抗震墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱轴向压缩变形大于边柱轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座产生沉陷，使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。在低层建筑中，因为柱的总长度较小，此种效应不显著。

2)对构件剪力和侧移的影响对高层建筑而言，考虑和不考虑轴向变形得到的剪力和位移相比，不考虑竖向构件的轴向变形时，各构件水平剪力的平均误差达30％以上，结构顶点位移小一半以上。

(a)未考虑柱的差异压缩(b)各柱差异压缩后的实际情况

图1框架连续梁的弯矩分布

3、侧移成为控制指标

与低层建筑相比，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层建筑时，不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平作用下的侧移被控制在某一限度之内。因为高层建筑的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：

①侧移幅值的大小会影响建筑物内人员的正常工作与生活。

②过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及高级饰面材料出现裂缝或损坏，此外也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。

③高层建筑的重心较高，过大的侧向变形将使结构因P-△效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌。调整侧移比的措施有：

(1)提高结构的抗扭刚度：主要通过调整结构布置来实现，与周期比的控制措施相同。

(2)提高结构的抗扭承载力：当结构布置的调整较困难时，可以在设计中考虑“双向地震组合”以提高结构的承载能力，或增大计算扭矩，将附加扭矩加大，增大构件设计内力，提高结构的抗扭承载力。同时也应增加抗震构造措施和延性措施，提高结构变形的延性，加强局部薄弱部位。

(3)设置防震缝：当结构平面复杂、不对称或各部分刚度、高度和重量相差悬殊时，调整抗扭刚度难以满足规范要求，可以设置防震缝，把整个结构分成几个相互独立的规则结构。同时防震缝也可起沉降缝和温度缝的作用。

4、结构延性是重要设计指标

为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

控制轴压比限值的调整措施有：

①提高箍筋的横向约束能力，包括体积配箍率和箍筋的强度与构造形式等。②提高混凝土的强度等级，这样可以提高核心区混凝土抗压碎的能力或核心

区混凝土的极限压应变能力。

③提高纵向钢筋和配筋率与强度；这样可以提高柱周边纵向钢筋承担截面轴压的能力，相应减小了核心区混凝土的压应力，提高框架柱的变形能力。

④采用轻质高强的新材料，如采用钢结构建筑体系等，减小上部结构的重量。

三、提高高层砌体结构抗震能力的措施

要使砌体房屋具有良好的抵御地震破坏的能力，除应满足抗震设计基本要求和进行抗震计算外，还必须重视抗震构造措施，以保证结构在地震作用时的安全。

1、构造柱

历次地震震害表明，设置钢筋混凝土构造柱可以明显改善多层砌体的抗震性能，震害经验和试验研究得出的一致结论是：①构造柱能提高砌体受剪承载力10％～30％左右，提高幅度与墙体高宽比、竖向压力和开洞情况有关；②构造柱主要是对砌体起约束作用，使之有较高的变形能力；③构造柱应放置在震害较重、连接构造比较薄弱和易于应力集中的部位。外廊式和单面走廊式的多层房屋，应根据房屋增加一层后的层数，且单面走廊的纵墙均应按外墙处理。

①构造柱最小截面可采用240mm×180mm，纵向钢筋宜采用4Φ12，箍筋间距不宜大于250mm，且在柱上下端宜适当加密；7度时超过六层、8度时超过五层和9度时，构造柱纵向钢筋宜采用4Φ14，箍筋间距不应大于200mm；房屋四角的构造柱可适当加大截面及配筋。

②钢筋混凝土构造柱必须先砌墙，后浇柱，构造柱与墙连接处宜砌成马牙槎，并应沿墙高每隔500mm放2Φ6拉结构钢筋，每边伸入墙内不宜小于lm

③构造柱应与圈梁连接，以增加构造柱的中间支点。构造柱与圈梁连接处，构造柱的纵筋应穿过圈梁，保证构造柱纵筋上下贯通。

④构造柱可不单独设基础，但应伸入室外地面下500mm，或与埋深小于500mm的基础圈梁相连。

2、圈梁

圈梁对房屋抗震有重要的作用，是多层砌体房屋的一种经济有效的抗震措施，其主要功能为加强房屋的整体性。由于圈梁的约束作用，减小了预制板散开以及墙体出平面倒塌的危险性，使纵、横墙能保持一个整体的箱形结构，充分发挥各片墙体的平面内抗剪强度，有效抵御来自任何方向的水平地震作用。

(1)圈梁的设置

现浇或装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖与墙体有可靠连接的房屋，可不另设圈梁，但楼板沿墙体周边应加强配筋并应与相应的构造柱钢筋可靠连接。

(2)圈梁的构造

多层普通砖、多孔砖房屋的现浇钢筋混凝土圈梁构造应符合下列要求：

①圈梁应闭合，遇有洞口圈梁应上下搭接。圈梁宜与预制板设在同一标高处或紧靠板底。

②圈梁在要求的间距内无横墙时，应利用梁或板缝中配筋替代圈梁。