刍议抗震概念设计在高层钢筋混凝土结构设计中的应用关键分析

蔡德昌 杨晗琦

【摘要】本文针对抗震概念设计的必要性、设计内容、设计原则等内容展开分析，结合抗震概念设计在建筑高宽比方案选型、建筑平立面优化布置、结构体系布置等方面的具体应用，提出了适当提高结构延性、增加结构整体性、做好非结构件设计、提高主要结构构件刚度及承载力、提高结构外围构件抗侧力等加强措施以增加结构整体抗震性能，保证高层建筑结构的安全性。

【关键词】抗震概念设计;高层建筑结构;抗震性能;安全性

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.08.031

引言：

我国的地质条件复杂，地震频发对我国社会经济发展、人民生命财产安全造成了严重的影响。地震的发生具备突发性、不可控性、大破坏性等特点，这也大大增加了建筑结构抗震设计的难度，将可靠的抗震概念融入到工程实际项目设计中，对提高结构抗震性能，保证结构安全性，延长结构使用寿命有着积极的意义。

1、抗震概念设计的基本内容

1.1抗震概念设计的必要性

随着国民经济的不断发展，建筑行业的不断进步，高层建筑越来越频繁出现在工程建设中。高层建筑作为一个复杂庞大的系统，在结构设计过程中不仅需要考虑竖向恒活载作用下安全，还需满足抗风抗震等相关性能要求。近年来地震活动愈发频繁，给无数房屋建筑造成了不同程度的破坏，给人民生命财产造成了无法估量的损失。高层建筑使用人数多，地震引发的建筑破坏对周边影响极大，因此高层建筑的抗震设计的重要性更为凸显。

一方面，由于地震发生具有随机性及复杂性，给结构设计、抗震设计参数取值带来了极大的困难;另一方面，高层建筑作为一个庞大复杂的综合体系，在地震作用下破坏机理异常复杂，且在地震作用下结构材料的非線性无法在数值模拟模型中真实反映，因此在结构抗震设计中，建筑结构的抗震问题无法完全通过数值计算模型计算得以解决。因此，针对计算程序无法解决的抗震问题，结构设计师有必要运用概念设计理念进行分析判断，对结构体系中存在薄弱的部位采用相应的方法进行补强，增强高层建筑结构的整体抗震性能。

1.2抗震概念设计基本内容

根据建筑抗震设计规范相关条文，抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程，是基于震害经验总结而得出的抗震基本原则及思想。抗震概念设计主要包括以下基本内容。

1.2.1选择合适场地

高层建筑可简化为支承于地基基础上的长悬臂结构，地震荷载由场地地基传递而来，建筑场地的选择直接影响高层建筑物所受地震荷载的大小。总结历次震害经验表明，场地因素引起的震害大且严重，且由场地因素引起的震害仅靠结构设计采取补强措施难以弥补。因此，在建筑选址阶段，结构设计师应重视工程建设场地的选择，应选择对结构抗震有利或一般的地段，宜避开对建筑抗震不利的地段，禁止选择在危险地段。对于发震断裂或震陷场地，结构设计师需根据发震断裂或震陷对工程影响的评价提出避让要求，对抗震不利地段且无法避开时，需在设计文件中够提出有效的抗震加强措施。

1.2.2优化建筑平立面布置

建筑物的动力特性取决于其建筑物平立面布局和结构平面布置，建筑布局简单合理，结构布置满足抗震概念设计原则，能从根本上保证建筑物具备良好的抗震性能。因此，建筑形体的平立面布局规则对抗震设计尤为重要。建筑的平立面布置应符合概念设计的要求，不应采用严重不规则的方案。建筑规则性要求各层建筑平面形状和立面尺寸变化不宜过大，其实质是保证结构宜具有合理的刚度和承载力分布，一是减少结构由于质心与刚心不重合引起的扭转振动进而导致地震反应增大，二是避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形从而导致地震反应加大。建筑的平面布置应要求尽量规则，减少凹凸收进，立面布置要求尽量减少收进突变，且需保证墙柱等竖向抗侧力构件均匀布置，保证结构平面、立面及竖向或抗侧力体系无明显的突变，进而保证平面布置、侧向刚度及承载力的连续性。

1.2.3合理结构布局

结构体系是抗震设计需考虑的关键问题。结构工程师需根据高层建筑的建筑高度，使用功能，场地条件及所在地区的抗震设防烈度选取合适的结构类型，根据所选结构类型合理布置梁板墙柱等结构构件。结构布置应遵循以下规定：结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震荷载传递途径。力总是沿最短的路径传递，传力越直接，过程越简单，地震荷载影响的构件越少，可以有效避免传力途中某些构件应力复杂程度，进而有利于受力构件的变形及构件强度控制。

其次，结构布置应具有多道抗震防线，避免在地荷载作用下由于部分结构构件破坏原因导致整个体系丧失抗震能力或整体稳定性。结构设计应尽量增设冗余度，在地震作用时利用赘余杆件的屈服破坏和弹塑性变形来消耗尽可能多的地震能量，减轻地震对主要结构构件的破坏。

1.3抗震概念设计基本原则

1.3.1刚柔并济原则

在结构抗震概念设计中，应遵循刚柔并济原则。抗震设计中，增大结构刚度及抗力，于结构抗震性能不一定有利。根据结构设计基本原理，结构构件的刚度愈大，吸收的地震力也愈大，为了抵抗地震荷载结构构件所需配筋通常也会越大，加大结构构件刚度来抵御地震荷载往往不经济。同时，当整体结构刚度太大时，吸收较大的地震荷载作用分配至构件时，极易引起薄弱构件失效，甚至导致结构构件被各个击破，造成结构整体失效。另一方面，结构刚度小，虽然具备良好的延性，有利于吸收地震传递的能量，但在荷载作用下会产生很大的变形，严重者超过正常使用极限，更有甚至造成整体结构的倾覆。因此，在抗震设计中，坚持刚柔并济原则十分重要，要求结构设计复核整体结构参数，通过控制结构设计总参数中刚度，周期，位移信息满足《高层建筑结构设计规范》相关限值要求且不应超出太多，达到结构既能满足变形要求，又能有效减小地震作用。

1.3.2多道设防原则

多道设防需要结构设计通过控制结构构件在地震荷载作用下破坏的顺序以达到抗震设防目标的一种抗震概念设计原则。根据建筑抗震设计规范，我国建筑结构抗震性能水准明确提出了三道防线的具体要求。结构抗震设计第一道防线为耗能构件，第二道防线为普通竖向构件，第三道防线为关键构件。在大震发生时，允许耗能构件屈服消耗部分地震能量，然后是普通竖向构件破坏进一步吸收部分地震能量，保证关键构件在剩余部分地震能量作用下不发生损坏，进而保证整体结构在地震作用下的安全可靠性。地震发生时，结构构件发生破坏的过程是非常复杂的，每次有部分构件进入屈服时都将引起新的内力重分布。因此，结构设计师需要保证耗能构件、普通竖向构件及关键构件在整体结构中分布均匀，以保证在不同地震阶段结构内力分配均匀，进而使得各层次下的结构构件耗能能力得到充分利用。因此，结构设计师需对各类型的结构构件进行合理分配，正确处理结构构件的强弱关系，明确哪些构件为耗能构件，一般竖向构件及关键构件，根据概念设计判断结构屈服机制，在恰当的位置布置合适的耗能构件及关键构件，使结构延性达到良好的标准。

1.3.3重节点连接原则

抗震概念设计要求整体结构完整，结构构件之间的连接可靠。高层建筑结构中，楼面及屋面对于联系结构构件，增强机构整体性起到至关重要的作用。由于在自身平面内具有无限大刚度，楼盖可对竖向剪力墙及框架柱形成有效支撑及约束，特别是竖向墙柱抗侧力构件布置不均匀或各抗侧力构件水平变形特性不同时，通过楼板的有效拉结作用，结构梁板墙柱形成一个整体的结构，各墙柱抗侧力构件形成整体协同工作。另一方面，高层建筑结构参数计算中通常会采用刚性楼板假定，为了保证实际结构与计算分析模型一致性，有必要加强楼盖设计，尤其是高层建筑的屋面及框架核心筒结构的核心筒区域楼板及四角楼板，保证楼盖平面内刚度及梁板的连接刚度。

此外结构的完整性还要求各结构构件之间的连接可靠，并要求构件连接节点的承载力不应低于构件的承载力，嵌装件的锚固能力不得低于连接件的锚固能力。在地震作用下，当构件屈服和刚度退化时，节点的承载力和刚度应保持不变。

2、抗震概念设计在高层钢筋混凝土结构设计中的具体应用

2.1选择合适的建筑高度及宽度

建筑结构在地震作用下的稳定性与建筑结构的高度及宽度有直接的联系，大量震害事实表明，建筑结构平立面布局布置不合理，高宽比失衡对建筑抗震性削弱极为不利。高层建筑对于抗震稳定性有极高的要求，结构高宽比设置不合理，在地震作用下极易造成结构薄弱部位失效，甚至导致整体建筑发生倾覆。因此，高层建筑在设计过程中需要按相关规程规范对不同场地烈度下规定的建筑高宽比限值进行严格控制，严禁采用严重不规则的建筑平立面设计方案。对于建筑高度超限或者高宽比不满足相应标准的建筑，需要建立符合实际结构形式的计算分析模型进行各种荷载工况作用的分析模拟，如若计算參数无法满足规程规范的技术要求，则需对结构的平面布置进行适当调整，或者按照相关规程规范，采取合理有效的补救措施，对高层建筑结构的薄弱部位进行局部补强，保证整体结构的抗震性能满足相关规程规范的要求。

2.2优化建筑平立面

建筑平面规则性对结构抗震性能有极大的影响，抗震概念设计在应用过程中，需合理布置建筑平面，尽量减少建筑凹凸收进，以此来提高结构的整体抗震性。高层建筑平面布置宜规则、对称，且具有良好的整体性;建筑的竖向立面宜尽量规则，结构抗侧力构件的侧向刚度宜均匀变化，框架柱及剪力墙等竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自底层向上逐渐减小，尽量避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。现阶段，高层建筑物平面布置主要以对称结构为主，如矩形、圆形、方形等，尽量减少平面布置中的凹凸收进，可以有效减小建筑物质心与刚心的偏离，从而有效减小结构在地震作用下的扭转振动，有效的减少了因扭转变形造成的局部结构构件应力集中或发生塑性变形屈服，进而提升整体结构的抗震性能。对于不对称结构建筑，需合理布置竖向抗侧力构件，且保证建筑平面突出或收进满足相关规程规范的要求，以保证结构质心与刚心重合，对结构局部薄弱位置通过增设剪力墙或支撑的方式进行局部补强，使结构整体刚度均匀不发生突变，保证建筑物的整体抗震性能。

2.3优化结构布置

建筑结构布置对建筑抗震稳定性具有决定性的影响，巧妙的结构布置能够有效提高高层建筑的抗震稳定性。在开展抗震概念设计时，需要做好建筑结构体系优化设计，以提高结构受力均匀性。在具体实践中，首先根据类似工程经验初步估算构件截面尺寸并进行结构方案的初步布置，之后按估算截面建入计算模型进行分析计算，着重考察结构刚度周期位移相关指标。根据计算分析结果，优化梁板墙柱结构构件尺寸，当计算结果刚度较大位移角较小时，适当削弱保证结构抗侧力构件刚度，避免刚度过大进而导致吸收地震力较大不经济;当计算结果刚度较小位移角较大时，在恰当位置增加剪力墙及框架柱或支撑构件增加结构刚度，避免整体结构刚度过小导致结构位移超限。同时，在结构布置时注重结构多道防线的设置，可根据抗震概念设计要求区分关键结构构件，一般竖向构件及耗能构件，并在合适的位置布置这些构件，关键构件做合适补强，耗能构件按合适刚度进行设计。最后，结构梁墙柱构件布置时应重概念，重视“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”概念设计，结构重点部位需要核实加强，非重要部位可适当放松设计。

3、抗震概念设计在结构设计中的应用建议

3.1适当提高结构延性

适当提高结构延性，可以有效降低地震对高层建筑的破坏，有助于提高结构地震性能。在项目设计过程中也需要注意以下内容：第一，做好材料筛选，结合建筑工程的抗震要求，选用延性材料，有效提升整体结构延性。一般情况下，高层建筑主体结构的关键部位及重要的梁柱部位均采用高强度、高韧性材料，对于耗能材料一般采用低强度高韧性材料，进而避免关键部位主体构件在地震作用下过早屈服退出工作，影响整体建筑的抗震安全性能。第二，在结构构件设计过程中，也需要优选塑性变形较强的杆件，以此来提升结构整体抗性，延长结构的使用寿命。第三，做好构件的选择工作，在实际应用中应选择抗震性能较强的构件，同时也需要优选具备良好延性的构件，以提升建筑结构整体抗性，满足相应的使用要求。

3.2不断提高结构整体性

不断提高结构整体性，能够进一步提高高层建筑抗震稳定性，以延长建筑结构的使用寿命。实际设计中应注意以下内容：第一，设计中可以选择钢支撑或混凝土支撑作为支撑体系，利用支撑结构具备的强度特征，有效提升建筑结构整体的侧向刚度，更好地抵抗建筑水平荷载，提升整个建筑结构的抗震稳固性。第二，做好框架结构的设计工作，选择钢制框架、混凝土框架等结构形式提升建筑工程的竖向负载与水平负载。如果建筑桁架与单楼层的高度保持一致，则可应用中也会使用一些交错的钢制桁架，以便更好地抵消建筑水平方向上的侧向力，提升建筑工程整体的稳固性。

3.3提高结构外围竖向构件抗侧力

根据大量工程实践经验可知，提高结构外围竖向构件抗侧力可以减少建筑结构在水平地震作用下的侧向变形，有助于增加建筑结构的抗震稳定性。在建筑结构设计中，高层建筑往往会在风或地震等水平作用影响下产生水平位移，由于各层水平位移不等产生了层间位移差，最大层间位移差主要在结构外围边角位置出现，因此在高层结构设计中需重点加强外围竖向构件抗侧力构件的结构刚度，以约束结构侧移变形。同时在设计中，也需要做好楼板设计，保证楼盖刚度，使其可以满足刚性楼板假定要求。另外，在建筑工程设计中，也需要根据概念设计适当加大外围抗侧力结构如剪力墙、筒体的刚度来控制变形，而且也需要在建筑结构内部适当位置合理布置结构墙柱进行刚度补充，从而提升内筒与外围柱子协同边线能力，切实提高高层建筑结构的抗震稳定性。

3.4做好非结构件设计

通过做好非结构件设计，可以有效提升结构荷载稳定性，以提升建筑结构整体的抵抗性。在具体实践中，应注意以下内容：第一，在实际设计中，需提高填充墙体、框架之间联系的紧密性，确保围护体系与结构紧密联系在一起，保证维护与主体结构之间的传力合理均匀，从而有效减少局部构件的应力集中问题。第二，在建筑工程设计环节，需注重建筑装饰面的固定，保证建筑装饰物与主体结构紧密连接，提升整体结构应对地震灾害的抵抗力。

结语：

综上所述，充分运用抗震概念设计，合理布局建筑平立面方案，优化结构构件布置，提高结构整体性，适当提高结构延性，做好非结构件设计，可以有效增强建筑的抗震稳定性，减輕地震对高层建筑的破坏。在高层建筑设计过程将抗震概念设计的理念融入到结构设计中，对于有效增强高层建筑的结构整体抗震性，延长建筑工程使用寿命有着积极的意义。

参考文献：

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