淺談如何做好高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

梁國忠

摘要：文章對如何做好高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計進行探討。要正確運用“概念設(shè)計”，避免采用不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)；控制好結(jié)構(gòu)地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)(分平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則)，應(yīng)按規(guī)范要求進行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施；高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的剛度。

關(guān)鍵詞：高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計

中圖分類號：TV233文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-1145(2009)09-0142-02

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們更加注重建筑的美觀，業(yè)主也越來越多地追求體型復(fù)雜的建筑，現(xiàn)在大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，往往形成結(jié)構(gòu)規(guī)范所規(guī)定的不規(guī)則建筑(包括平面布置、豎向布置)，因此對建筑結(jié)構(gòu)特別是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。而正確處理好如下幾個方面的設(shè)計要求，是做好高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作的關(guān)鍵。

一、正確運用“概念設(shè)計”，避免采用不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)

在高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該與建筑設(shè)計人員充分協(xié)商，一起在建筑平面布置、豎向布置等方面，共同做好建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。更應(yīng)該正確運用“概念設(shè)計”，“概念設(shè)計”是指對一些難以做出精確計算分析，或在某些規(guī)程中難以具體規(guī)定的問題，應(yīng)該由設(shè)計人員運用概念進行判斷和分析，以便采取相應(yīng)的措施，做到比較合理地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

理論與實踐均表明，一個先進而合理的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，不能僅依靠力學(xué)分析來解決。因為對于較復(fù)雜的高層建筑，某些部位無法用解析方法精確計算；特別是在地震區(qū)，地震作用的影響因素很多，要求精確計算是不可能的。因此，不能僅僅依賴于“計算設(shè)計”，還要正確運用“概念設(shè)計”，對結(jié)構(gòu)平面布置、結(jié)構(gòu)豎向布置、變形縫的設(shè)置、基礎(chǔ)設(shè)計等加以正確處理。

二、控制好結(jié)構(gòu)地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

大量地震災(zāi)害表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)的平面布置或剪力墻的設(shè)置較復(fù)雜且不對稱、不規(guī)則時，或在風(fēng)載及地震作用下，各層水平荷載合力中心與結(jié)構(gòu)剛度中心不重合，結(jié)構(gòu)除發(fā)生平移外，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)脆性破壞，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌事故。所以，當(dāng)水平荷載合力的作用線不經(jīng)過建筑物的剛度中心時，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)的影響。

在扭轉(zhuǎn)作用下，各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間變形不同，距剛心較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)邊緣的抗側(cè)力單元的層間側(cè)移最大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意扭轉(zhuǎn)引起的附加變形不應(yīng)太大。

在上、下剛度不均勻變化的結(jié)構(gòu)中，各層的剛心并不一定在同一根豎軸上，有時剛心位置還會相差較大。此時，各層結(jié)構(gòu)的偏心距和扭矩會改變，各層結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)修正系數(shù)也會改變，應(yīng)分別計算。

計算時必須控制好扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的兩個重要指標(biāo)：周期比、位移比。但周期比、位移比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是要求結(jié)構(gòu)承載布置更合理。如果結(jié)構(gòu)計算結(jié)果不能滿足規(guī)范要求時，則必須進行調(diào)整。

1．周期比的調(diào)整方法：當(dāng)計算出的周期比Tt／T1不能滿足規(guī)范要求時，可采用加大抗側(cè)力構(gòu)件截面或增加抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量的方法，且將抗側(cè)力構(gòu)件盡可能均勻地布置在建筑物四周，對結(jié)構(gòu)方案應(yīng)從加強抗扭剛度，減少相對偏心，使剛度中心與質(zhì)量中心一致，減少結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性等角度出發(fā)，進行調(diào)整。有時僅調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，很難達(dá)到理想的效果，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。調(diào)整時如結(jié)構(gòu)的層間位移角剛剛滿足規(guī)范，結(jié)構(gòu)的剛度富裕量不大，可以均衡地加強結(jié)構(gòu)外圍剛度；如結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)的剛度富裕量很大，可以在加強結(jié)構(gòu)外圍剛度的同時，均衡地削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部中心抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，效果更為明顯。如仍不能滿足規(guī)范要求時，應(yīng)設(shè)置防震縫，將不規(guī)則平面劃分為若干相對規(guī)則平面等法處理。

2．位移比的調(diào)整方法：當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期比Tt／T1滿足規(guī)范要求時，結(jié)構(gòu)的位移比(只有在剛性樓板的假設(shè)下計算才有意義)也會得到很大的改善，但改善并不等于一定滿足要求，在有些情況下，周期比已經(jīng)控制得很好了，但有些個別層的位移比仍不滿足要求，這就需要進行微調(diào)，常用方法是：(1)增加最大位移處構(gòu)件剛度，減少最小位移處構(gòu)件剛度，這種方法只適用于結(jié)構(gòu)頂部幾層承載力要求不高，而位移比又不滿足要求的情況；(2)在最大位移處局部加剪力墻；(3)如果建筑不允許布置剪力墻。則可增加框架部分側(cè)向剛度，即加大局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸的方法。若仍不能滿足規(guī)范要求時，應(yīng)設(shè)置防震縫，將不規(guī)則平面劃分為若干相對規(guī)則平面等法處理。

三、不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)(分平面不規(guī)則和豎向不

規(guī)則)，應(yīng)按規(guī)范要求進行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施

1．平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，并應(yīng)符合下列要求：

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時(位移比超過了1.2倍的限值)，應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍。

(2)當(dāng)樓板凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)，或當(dāng)樓板過于狹長、平面內(nèi)變形明顯時，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型(如彈性樓板或局部彈性樓板)，當(dāng)平面不對稱時尚應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響。抗震構(gòu)造措施：當(dāng)中央部分樓板有較大削弱時，應(yīng)加強樓板以及連接墻體的構(gòu)造措施，必要時可在外伸凹槽處設(shè)置連接梁或連接板。

2．平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)層剛度比不能滿足規(guī)范要求時(即該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70％，或小于其上相鄰三個樓層側(cè)向剛度平均值的80％；除頂層外，局部收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25％)，說明結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則。此時，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進行彈塑性變形分析，并應(yīng)符合下列要求：

(1)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時[即豎向抗側(cè)力構(gòu)件(柱、抗震墻、抗震支撐)的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件(梁、桁架)向下傳遞]，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)乘以1.25～1.5的增大系數(shù)；

(2)樓層承載力突變時(即抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的80％)，薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65％。

3．平面不規(guī)則且豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時符合上述1、2款的要求。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的剛度

結(jié)構(gòu)的剛度太大或太小，在結(jié)構(gòu)計算結(jié)果中表現(xiàn)出周期的偏小或偏大，相應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)的位移也偏小或偏大。此時可采用調(diào)整與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)的參數(shù)，如構(gòu)件的截面尺寸、混凝土的強度等級、剪力墻結(jié)構(gòu)開洞大小等情況；或調(diào)整計算參數(shù)的設(shè)置，如調(diào)整梁的剛度放大系數(shù)，來滿足規(guī)范合理的范圍。

正常使用條件下，限制建筑結(jié)構(gòu)層間位移的主要目的為：

第一，保證主要結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要避免混凝土墻或柱出現(xiàn)裂縫；將混凝土梁等樓面構(gòu)件的裂縫數(shù)量、寬度限制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

第二，保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完好，避免產(chǎn)生明顯損壞。

因此，《高規(guī)》第4.6.3條規(guī)定了按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比的限值，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計算必須《高規(guī)》的有關(guān)規(guī)定。

五、結(jié)構(gòu)計算結(jié)果還應(yīng)檢查以下主要控制參數(shù)和指標(biāo)

例如自振周期、振型曲線、地震力、水平位移特征、剪重比、軸壓比、剛重比、有效質(zhì)量參與系數(shù)、截面配筋率、剪跨比等是否滿足有關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否已通過了撓度和抗裂縫驗算。結(jié)構(gòu)計算結(jié)果正常，才是合理的設(shè)計。

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