高层建筑抗震性能化设计重难点及处理方法的探析

殷 霞 云南建设学校土木工程系副高级讲师，一级注册结构工程师

我国的高层建筑经过二十多年的快速发展，不仅在高度上不断实现突破，为获得更好的综合效益，还不断在完善功能、提升品质、创新造型、革新技术、降低消耗、抗震防灾等方面提出更高的要求，导致不规则的、复杂的、超限的高层建筑结构不断涌现。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）新增3.10 节提出结构抗震性能化设计以适应发展的需要。目前，建筑结构抗震性能化设计被广泛应用在各行业各类建、构筑物中，成为解决复杂抗震问题的有效方法。

1 建筑结构抗震性能化设计理论的基本内容

抗震性能化设计是基于抗震设计基本理论，重点突出差异化、抗震性能可量化的更加科学的设计方法。针对不同工程的具体情况，基于概念设计、“多道防线”思想，综合考虑结构的承载能力和变形能力，协调可靠和经济两方面的要求，贯彻“多级设防”思想，加强薄弱部位，提倡“个性化”设计，灵活运用各种结构措施实现预期的性能目标。抗震性能化设计基本内容包括以下4 个方面，一是确定地震设防水准；二是确定抗震性能目标；三是确定结构抗震性能水准和计算分析；四是结构抗震性能分析评估和工程研判[1]。本文就高层建筑抗震性能化设计的重点和难点，以及设计中遇到的问题和处理方法进行讨论。

2 高层建筑抗震性能化设计的重难点及相应处理措施

高层建筑经常遇到的设计问题主要包括，与结构侧向刚度相关的问题；高度超限的问题；不规则问题等[2]。与侧向刚度相关的问题主要有平面两个方向刚度差异大；竖向刚度突变；刚度分布不合理等。以下不规则类型需要重点处理，包括因平面不规则导致的扭转效应；竖向不规则宜以竖向刚度突变为重点，加强针对性，其他不规则类型为辅[3]。针对上述问题，基于力学的基本原理和抗震设计的基本原则，从结构整体受力、构件间的协同工作、具体构件设计3 个层面全过程把控，实现建筑抗震性能化设计目标。

2.1 结构整体受力方面

2.1.1 重点控制指标及相关调整措施

规范规定的重点量化控制指标有层间位移角、轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期比、刚重比[2]。轴压比在构件层面起到控制构件延性的作用，其他指标都是从结构整体层面或整体与构件间的协同工作层面发挥作用。

层间位移角是确保结构整体刚度的宏观位移控制指标，目的是限制结构正常使用条件下的水平位移，避免构件产生过大变形或开裂，避免因位移过大导致重力二阶效应严重而影响结构的承载力、稳定性和使用，避免非结构构件出现过大的破坏[4]。当层间位移角不满足要求时，需要提高结构的竖向刚度。受扭转效应的影响，高层结构最大层间位移常出现在结构的边角部位，减小层间位移最大值可以从减小结构偏心程度、调整结构平面布置、增强外围相应位置竖向抗侧力构件刚度、保证楼板刚度等措施，对复杂结构尚应重视结构位移计算模型的合理性，采取多种手段验证对比，检验计算的正确性。层间位移角过小则表明结构技术经济指标不够合理，需要适当减小结构的竖向刚度，例如减小墙、柱的截面面积。位移比是控制结构平面规则性的位移指标，调整措施与层间位移角的类似。

剪重比又称为地震剪力系数，基本周期较长的结构按规范得到的不同烈度下的地震作用效应计算值比实际值小，出于安全考虑规定了楼层最小地震剪力系数[2]。剪重比的规定对各类结构都适用，不受结构形式和阻尼比差异的影响。剪重比与结构周期、扭转效应关系密切。剪重比不满足要求需要调整结构选型或优化结构总体布置，增加合理性和安全性；如果底部总剪力满足、上部少数楼层（小于等于楼层总数的15%）不满足，可以乘以剪力增大系数；若底部总剪力不满足要求，需要采取调整结构选型、优化结构布置、加大竖向抗侧力构件截面等措施提高结构总体侧向刚度；所有结构只有在满足剪重比要求的条件下才能进行后续的各种地震效应的计算和进行抗震设计。

刚重比表征高层结构的整体稳定状态，规范规定了刚重比的上限和下限，刚重比超过上限较多，表明结构该方向的刚度过大，刚度和重力荷载的关系不协调，应采措施适当削弱刚度[4]；刚重比大于上限，表明结构整体稳定性好，弹性计算分析可以不考虑重力二阶效应对结构的不利影响；刚重比在上限和下限之间，则不能忽略重力二阶效应的影响；刚重比小于下限，表明结构的刚度过小，必须增大结构的刚度保证结构安全；对质量和刚度沿竖向分布不均匀，水平荷载分布方式不符合倒三角形分布的情况需要调整刚重比的计算方法；对整体稳定有利的设计或措施，例如连体高层结构，刚重比限值可以适当降低；值得注意的是结构周期比与刚重比相关，调整其中一个指标都会导致另一个指标改变。

周期比表征抗侧力构件平面布置的有效性和合理性，可以避免结构在罕遇地震下出现比侧移效应更加不利的扭转效应。周期比不满足要求，需要调整结构的整体刚度平面布置，保证楼板的水平刚度，增大外围刚度，削弱内部刚度，使刚度布局更合理，具体处理措施包括增大周边柱、剪力墙的截面或数量；增大外围梁的高度或宽度；在建筑平面凹槽处增设连接梁；减小外围剪力墙洞口；在中间剪力墙、核心筒上开洞等。

刚度比表征结构竖向布置的合理性和连续性、避免竖向刚度突变和形成薄弱层，地震作用下的楼层刚度是楼层平均剪力与平均层间位移的比值。刚度比不满足要求可以采取调整本层和其上关联楼层的层高、适当加强本层或削弱其上关联楼层墙、柱和梁的刚度等措施。

对于结构两个方向侧向刚度差异大的问题，调整措施主要为，适当增加刚度不足方向的剪力墙数量和厚度，调整外围剪力墙更有效；尽量将刚度不足方向的剪力墙连成筒体，形成多筒体系，避免个别剪力墙厚度过大；在侧向刚度不足的方向采用减震措施，例如设置屈曲约束支撑（BRB）；对长宽比过大的建筑平面，可以采用双核心筒结构方案，设置两个核心筒协同受力。

2.1.2 高度超限问题

高度超限是工程师经常遇到的抗震设计问题，调整措施主要为，在选定结构体系后仍然高度超限的，可以考虑在底部加强区采用钢骨—混凝土结构，例如框架柱采用型钢—混凝土柱，在剪力墙中配置钢板或型钢，提高结构延性和承载力；结合楼电梯间及管井的布置，将核心筒一定数量的内墙设置为剪力墙，加强核心筒内外墙体间相互支承作用，提高核心筒的稳定性和整体性等。

2.2 结构内部协调机制方面

2.2.1 多道抗震防线设计

多道抗震防线设计是结构抵抗地震动的反复冲击，避免倒塌的重要措施，设计重点是调整好结构内部分体系间剪力分担比率及刚度匹配性的关系，既能使分体系充分发挥各自的作用，又能使整体有效合理地工作，对于框架—剪力墙、框架—核心筒、框架—支撑体系等，通常将剪力墙的连梁、框架梁和支撑设定为第一道防线，剪力墙、核心筒和框架协同抗震为第二道防线[5]。高规对框架部分的剪力分担比率做出了明确规定，但实际工程中框架往往难以承受按刚度分配的剪力，特别是超高层结构或者设置了环带桁架、伸臂桁架的结构，可以考虑采用直接的刚度贡献率来评估外框的二道防线能力[4]。

2.2.2 伸臂桁架和周边环带结构的处理措施

采用框架—核心筒或巨型框架—核心筒体系的超高层建筑通常会在避难层设置一定数量的伸臂桁架和周边环带结构，一方面可以加强核心筒与外框架两个内外分体系间的连接、提高结构的整体性，协调二者的受力和变形，控制结构位移；另一方面也会产生局部刚度、变形和剪力严重的突变，导致结构竖向不规则，上下层相关构件容易破坏的问题[6]。对于伸臂桁架和周边环带结构的设置，需要综合考察不同地震水平下对结构整体抗震性能有利和不利两方面的影响，多方验证，选择技术经济性最优的方案。处理措施为，将设置了伸臂和周边环带结构的楼层应定义为加强层；竖向支承构件提高其抗弯和抗剪承载力，保证足够的安全度，避免加强层及其上部结构倒塌；伸臂桁架和环带结构的斜腹杆采用屈曲约束支撑作减震处理，可以减小加强层刚度突变，减小主体结构损伤，避免出现软弱层。

2.2.3 连梁的处理措施

连梁是剪力墙的第一道防线，在协调墙肢受力和变形方面发挥重要作用[5]。在强烈地震作用下连梁先产生塑性铰，出现刚度退化，从而耗散地震能量，延缓主体墙肢屈服。连梁出现塑性铰后仍能传递弯矩和剪力，不会对墙肢强度和刚度产生大的影响，但会减弱墙肢间的协同工作性能。

因此，必须注意保证连梁足够的刚度和控制其刚度退化进程，正常使用状态下连梁处于弹性，在罕遇的地震下，连梁先于墙肢屈服。处理措施为，增大连梁的跨高比、适当减小结构整体刚度、提高剪力墙混凝土强度等；部分连梁超限时，在满足“强剪弱弯”的条件下可采取调整连梁内力的措施；跨高比小于2时，可以配置交叉钢筋或交叉暗撑提高连梁的抗剪能力。

2.2.4 关于楼板刚性的问题

楼板的刚性在保证结构空间整体性、约束竖向构件协同工作、传递竖向荷载和水平作用、协调变形和形成抗侧刚度等方面有重要作用[6]。合理考虑楼板协调能力是关系结构水平刚度的一个重要问题，特别是平面细腰结构。处理措施为，尽量保证高层建筑楼面的完整性和刚度，楼板开洞符合规则性和开洞率的要求；要求楼板的承载力在设防地震作用下不屈服，在罕遇地震作用下不应发生受拉破坏；被削弱的楼板可以采取提高混凝土强度等级、加厚楼板并采用双层双向配筋，增大相关梁的截面尺寸、提高配筋率等补强措施。

2.3 构件设计方面

高层结构在抗震性能方面将构件区分为：关键构件、一般构件、耗能构件，在采取基本抗震措施的前提下，根据工程的具体情况确定“个性化”的抗震性能目标进行设计。

2.3.1 竖向构件的轴压比

高层结构的竖向构件主要指框架柱、剪力墙和核心筒，是保证大震下竖向荷载传递路径的重要构件，限制其轴压比可以在保证结构延性的同时提高承载力和整体抗倒塌能力。减小轴压比的措施有以下几种方式。提高构件混凝土强度等级、增大截面、加强柱箍筋（全高采用复合螺旋箍筋或减小箍筋肢距和间距）、底部柱内附加芯柱、底部剪力墙内设置钢骨（钢板、钢管或型钢）、加强剪力墙边缘构件等。

2.3.2 关键构件

关键构件应根据结构受力特点和耗能机制综合确定，并控制其数量。应提高受力较大且需要参与耗能的关键构件的延性；提高受力较大且容易发生连续破坏的关键构件的承载力，并保证延性；底部加强区则要求抗弯屈服先于抗剪屈服[6]；剪力墙通过减小轴压比保证其屈服后仍具有较好的延性；提高水平转换构件及与其相连的竖向支承构件、连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件、悬挑结构的主要悬挑构件等关键构件的抗弯和抗剪承载力，保证结构安全；加强层伸臂和周边环带结构、平面形状不规则区域、角部等位置的竖向支承构件因受力复杂应着重保证其延性，可采用减小轴压比或提高配筋率的措施；加强弱连接处的楼板及框架梁的刚度、抗拉和抗剪承载力，采取提高混凝土强度等级、楼板加厚并采用双层双向配筋，增大框架梁的截面尺寸、提高配筋率等措施。

2.3.3 耗能构件

耗能构件主要是指框架—剪力墙结构、剪力墙结构和框架—核心筒结构的连梁、框架梁等。结构抗震设计要求实现在罕遇地震下连梁、剪力墙、框架梁、框架柱依次损坏的顺序。高层结构在罕遇地震下连梁上首先形成塑性铰、实现耗能，同时仍具有一定的刚度、继续传递内力和约束墙肢的能力，使剪力墙能保持足够的强度和刚度。因此，连梁在正常状态和小震下应处于弹性，大震时进入弹塑性，重点保证连梁的延性。具体措施包括，在进行结构整体计算时，地震作用下折减连梁刚度、正常状态下不折减、位移计算不折减；提高连梁的混凝土强度等级；全长加密连梁的箍筋；墙体水平分布钢筋在连梁范围内拉通；跨高比不大于2 的连梁宜增配对角斜向钢筋；对跨高比不大于1 的宜增置交叉暗撑；多数连梁超限，宜增大连梁的跨高比，适当降低整体刚度； 部分连梁超限 ，在满足“强剪弱弯”的条件下可以调整连梁内力等。框架部分的框架梁作为耗能构件，塑性铰首先出现在梁端，但为保证建筑整体安全性，梁的刚度不允许降低过大、不允许退出工作[6]。研究表明，框架梁的损坏先从中下部楼层开始并逐步向上发展，但多数损坏程度不大，少量出现中重度损坏，原因是设计时将梁和周边楼板分开，未充分考虑楼板的协同受力和刚度贡献，与实际情况有出入。因此应考虑楼板刚度，适当减小梁的纵筋配筋量，增加箍筋配筋量，提高框架梁的耗能能力。

3 结语

当前各种超限复杂高层建筑层出不穷，对于工程师而言，做好这些建筑的抗震设计是不小的挑战。运用性能化设计方法，确定合理的抗震性能目标和结构抗震性能水准、遵守力学基本原理和概念设计的基本原则，贯彻优先把控整体，其次再深入到构件的承载力、变形和细部构造等细节，通过恰当地计算采取相关措施，综合考虑提高结构（局部）或构件的变形能力和承载能力，可以在实现抗震性能目标的同时获得良好的技术经济效果。