浅谈高层建筑抗震设计的主要概念

时间日期：2003-5-23 已被阅读次：[6698]

南海市能兴房地产开发有限公司　王　华

　　[摘　要] 通过对不同类型高层结构的抗震设计和分析，将结构的“延性”由抽象的概

念具体化，并提出了高层结构的抗震设计“概念和构造措施胜于结构计算”的观点。
　　[关键词] 延性　三水准　框支结构
(一)概述：
　　所谓高层建筑，通常是指八层及八层以上的民用建筑。由于其层数多、高度大，在荷载

作用下的受力特点、变形状态以及对结构体系和各种服务设施的要求等与低层和多层建筑相

比均大为不同，高层结构主要随垂直和水平荷载作用(风荷载及水平地震作用)，随着建筑物

高度的增加，这两种荷载对结构产生的效应也随之而变化，水平荷载产生的弯矩和剪力迅速

增大，甚至起着控制设计的作用。一幢高层建筑结构的设计是集概念、计算、构造于一体，

特别是抗震结构的构造措施和设计概念更胜于计算机程序计算的颇为复杂的过程。以下仅从

抗震概念、构造及设计过程中如何解决遇到的问题等方面加以探讨。
　　(二)抗震设计的主要概念：
　　1、建筑物的延性：有抗震设防的建筑结构设计，除要考虑正常使用的竖向荷载、风荷

载以外，还必须使结构具有良好的抗震性能，即实现“小震不坏，中震可修，大震不例”的

三水准设计。建筑结构是否具有耐震能力，是由承载力和变形能力两者共同决定的。当结构

承载力较小，但具有很大的延性，所能吸收的能量多，虽然较早出现破坏，但能经受住较大

变形，避免例塌。但是仅有较大的承载力而无塑性变形能力的脆性结构，吸收的能量少，一

旦遭遇超过设计烈度的地震作用时，很容易因脆性破坏而使房屋倒塌(图一)。
　　　　一个构件或结构的延性用延性系数μ表达，一般用其最大允许变形△P与屈服变形

△y的比值，变形可以是线位移、转角位移或层间位移，其相应的延性，称之为线位延性、

角位延性或相对位移延性。其表达式μ=△P／△y，式中△y为结构屈服时荷载Fy对应的变形

、△P为结构极限荷载Fm或降低10％时所对应的最大允许变形(图二)。
　　钢筋混凝土是一种弹塑性材料，其结构具有塑性变形能力，当地震作用下结构达到屈服

后，利用结构塑性变形来吸收能量，增加结构的延性，不仅能减弱地震反应，而且提高了结

构抗御强烈地震的力。然而结构或构件的延性是不能直接计算出来的，只能通过试验测定的

，高层钢筋混凝土结构的延性要求μ=4—8，这是个抽象的概念。然而我们设计中所谓的强

柱弱梁、强剪弱弯、强墙弱梁、强节点弱构件及强锚固、强结构底部等都是保证结构延性的

具体手段。要求足够的截面尺寸、保证钢筋的锚固长度、柱的体积配箍率、梁的面积配箍率

，控制柱及剪力墙的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件截面受压区高度及纵筋配筋率等都

是保证结构延性的具体措施，即高层结构破坏时，尽量发生吸收能量较大、塑性变形能力较

强破坏机构形式。
　　2、高层建筑减轻结构自重更有意义：一方面从地基承载力来看，同样的地基条件，减

轻结构自重意味着不增加基础或地基处理造价，可以多建层数，特别是对于软弱土更有效。

另一方面地震效应与建筑质量成正比，由式Fek=α1Geq可知，结构质量的增加必然引起地震

力的增大，还有高层建筑由于其高度较大、重心较高，地震作用倾覆力矩也随质量的增加而

增大，这也必然会引起P－△效应增强。鉴于以上的情形，设计时高层建筑物的填充墙及隔

墙应采用尽量轻的轻质材料。
　　3、高层结构应设置多道抗震防线：高层结构形式应采用具有联肢、多肢壁式框架剪力

墙、剪力墙、框架筒体、筒中筒等多道抗震防线结构体系。当第一道抗震防线崩溃时，还有

其它各道抗震防线，确保建筑物的延性，不至于发生倒塌破坏。虽然《钢筋混凝土高层建筑

结构与设计与施工规程》框架结构在高烈度地区(8度)房屋适用的最大高度可达45米(相当于

l5层)，但是，高层建筑还是应避免采用纯框架结构体系，这是因为此结构体系不具备多道

抗震防线，一方面在水平荷载作用下变形很大，其维护结构极易破坏，另一方面结构为满足

较大的侧向变形，要求其主要抗侧力构件—框架柱断面很大，这既不合理，也不经济。
　　4、抗震设计的结构不能任意以强代弱：结构的承载力、刚度要适应在地震作用下的动

力要求，并应均匀连续分布。在非抗震的一般静力设计中，结构主要承受竖向荷载，因此，

任何部位的超强设计都不会影响结构的安全。但是，抗震设计的结构，不能任意加强，某一

部分的超强就可能造成结构的相对薄弱部位，强柱弱梁、强剪弱弯可能转变成强梁弱柱、强

弯弱剪，这就很难出现我们希望的屈服机制。因此，高层结构梁端、柱端及剪力墙的加强部

位受弯钢筋在满足承载力和抗震构造要求的条件下，应采取措施减少钢筋超配。现场代表处

理钢筋代换时，决不应随意以大代小、以高钢号代低钢号改变钢筋，如必须代换时，应按钢

筋抗力设计值相同的原则进行换算。
　　5、地下室延性的考虑：对于高层结构一般需设地下室，地下室通风、采光井使其周边

土体对地下室外壁的嵌固影响很不利，有时地下室的刚度不足以对上部结构起嵌固作用，上

部结构的固定端应取在基础顶面，将地下室和上部结构宜作为一个整体共同考虑，其结构延

性与上部结构一致。然而，当固定端不在基础顶面，而嵌固在地下室顶面时，对抗震等级为

一级、二级的抗震结构，其底层柱底内力的调整部位应从固定端向下延伸一层，地下一层按

上部结构抗震等级取用，对于多层地下室，地下一层以下根据具体情况可按三级或非抗震考

虑。通过一些工程的计算结果和理论分析，可总结出除对框支—剪力墙结构的地下室仍按框

支层要求的轴压比进行控制外，其他结构类型的地下一层可适当放宽轴压比，在往下的地下

二层、基础拉梁及基础因为几乎没有什么变形，也就没有延性，可按非抗震设计处理。
　　6、有抗震设防的结构宜避免短柱：现行《建筑抗震设计规范》仅规定H0／h≤4时为短

柱。然而，我们在实际工程中，经常遇到某些类型的建筑，因通风采光的需求，大面积的开

窗以及柱间连续的窗台所形成的短柱效应。通过对计算结果的分析比较可得出，对于3
h≤4的框架(支)柱，定义为短柱，对于H0／h≤3的框架(支)柱，定义为极短柱，短柱多发生

剪切破坏，极短柱多发生剪切斜拉破坏，这都属于脆性破坏，但是高层结构中，由于建筑功

能的复杂性，短柱不可避免，然而我认为宁可在某一楼层都出现短柱，最起码要按短柱的构

造措施处理，而不希望在某一楼层出现个别短柱，因为这个别短柱极易集中吸收能量，首先

发生柱的剪切破坏。《筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(第二稿）》用框架(支)柱的

剪跨比λ=M／Vh来确定长柱、短柱和极短柱，这更加符合实际的受力情形，因为此式不能简

单地用柱净高与柱截面高度之比来衡量，而是考虑了柱端承受的弯矩(M)和剪力(V)，而且也

假定反弯点可能上、下移动，而不一定在跨中。
　　7、高层抗震设计，应考虑外装修对结构的影响：高层建筑的外装修经常用到玻璃幕墙

，虽然幕墙的构成已经考虑了与主体结构有一定的相对位移，以减少两者之间的相互影响，

但是地震的动力效应是随意的，且为多方位的，并不一定是我们计算时所确定的作用方向，

而且地震所产生的震动并不只是单一的水平作用，往往伴随着垂直方向的上、下跳动。导致

的结果，首先是外维护结构的破坏，而玻璃幕墙在不同方向相互交替地震动力作用下，对主

体结构的构件也施加着很大的不同方向的拉力。因此，连接幕墙的结构构件除平面内承载力

和稳定满足要求外，平面外设计更应加强。现在的外装修尤其是幕墙一般都分包给专业单位

施工，所以在土建施工图设计时，应该通过计算初步确定玻璃幕墙的连接方案，结构构件上

预埋幕墙连接件，避免二次装修时对结构的严重破坏。
　　8、现抗震设计“三水准”的具体办法是“两阶段抗震设计”：我们在高层结构中的计

算，无论是“TAT”还是“SATWE”三维分析软件，都是以频率较高的小震(相当于比设防烈

度低1．55度，大约50年一遇)为对象对结构截面承载力进行弹性阶段验算，同时按标准图集

97G329(一)有关要求，采取相应的抗震构造措施保证结构的延性，使之具有与第二水准(中

震相当于设防烈度，大约475年一遇)要求的相应的变形能力，从而实现“小震不坏和中震可

修”的设防要求，称为第一阶段设计。对于复杂的高层结构，还必须进行“时程分析法”补

充计算(尽管目前的时程分析法程序仍按弹性方法进行)，以频率极低的大震(相当于比设防

烈度高一度，大约1641－2475年一遇)为对象，对结构进行弹塑性变形验算和采取相应的构

造措施，以实现“大震不倒”的设防要求，称为第二阶段设计。由此可知，绝大多数高层结

构在第二阶段，并不一定要求进行内力和位移的计算，而要通过构造措施加以保证。
　　(三)抗震构造方面：
　　1、框支(架)梁上开洞的构造：框支(架)梁后剪力墙的连梁，因机电设备管道穿行需开

孔洞时，应合理选择孔洞地位置，并应进行承载力计算和构造措施。孔洞位置应避开梁端塑

性铰区，必要时也可设置在梁端L／3(L为梁跨度)区域内。孔洞偏心宜偏向受拉区，其偏心

矩e0≤0．05h0(h0为梁端面的有效高度)。小孔洞尽可能预留套管，当设置多个孔洞时，相

连孔洞边缘净距不应小于25h3(h3为洞口高度)。当矩形孔洞高度小于h／6及100毫米且孔洞

长度小于h／3及200毫米时，其孔洞周边可按构造设置，上、下边纵向钢筋可采用2Φ12，箍

筋采用Φ8，间距不应大于0.5h1或0.5h2(h1、h2分别为洞口高度)及100毫米，孔洞边竖向箍

筋也应加密。另一种情形，当孔洞尺寸超过上面所提时，孔洞上、下边纵向钢筋应按计算确

定，但不小于按构造要求设置的箍筋。
　　2、剪力墙上双开洞时，中间小墙肢的处理：高层结构剪力墙房间门洞间墙肢尺寸一般

都较小，常常小于3倍的剪力墙厚度且可能不大于500毫米，这时的小墙肢就应按柱的构造要

求处理，计算其墙肢的抗剪承载力往往不够。鉴于此情况，在设计过程的计算中，可不考虑

其刚度，直接按剪力墙上开大洞计算连梁和墙体，然后可按构造处理此门垛，对于高层结构

，由于地震作用对结构影响很大，因此门垛还应考虑一定的抗震能力，通常可采用素混凝土

加构造钢筋的做法。
　　(四)结束语：
　　我公司怡翠花园楼盘主要以高层建筑为主，二期紫荆苑由两座上28层的高层和三座17层

的小高层组成，总建筑面积达15万平方米，三期芙蓉苑由两座上30层的高层、一座上24层的

高层和3座17层的小高层组成，总建筑面积达19．5万平方米，作为现场主要技术管理人员，

这就要求我们对高层结构设计中的主要概念有充分了解才能及时发现设计施工图及施工过程

中出现的问题，并作出正确判断和处理，以便及时协调解决问题。因此，我根据以往设计经

验，对高层抗震设计中的一些主要概念及构造要求进行了简单的归纳。

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