郑屹
（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）
摘要：随着我国经济的发展，高层建筑越来越多。高层建筑结构的设计，目前很多设计人员过多依赖计算机软件，对高层建筑结构的抗震设计从理论上并没有从真正意义上去掌握和应用。
关键词：高层建筑结构；抗震设计；结构体系；延性要求
前言
高层建筑结构的抗震设计，不但要遵从规的要求，更应从概念设计入手，结合工程实践提出相应的定量控制要求。不盲从计算机的能力，应在概念清晰、技术可靠的前提下进行合理的络设计。
1概念设计
高层建筑结构抗震概念设计，就是工程师把地震及其影响的不确定性和规律性结合起来，设计时应着眼于结构的总体反映，依据结构破坏机制和破坏过程，灵活运用设计准则，从一开始就全面合理地把握好结构设计的本质问题，顾及关键部位的细节，力求消除结构中薄弱环节，从根本上保证结构的抗震性能。
1.1建筑场地选择
建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响，这已被大量的震害实例所证实。从建筑抗震概念设计角度考察，首先应注意场地选择。选择建筑场地时，应根据工程需要、工程地质和地震地质的有关资料，对不利地段提出避开要求。当无法避开时一定要采取有效的措施；严禁在危险地段建造甲、乙类建筑，不应在危险地段建造丙类建筑。
1.2建筑总体布置
简单合理规则的建筑布局和结构布置能从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。高层建筑结构的要求是“简单、规则、均匀、对称”。历次较大地震灾害的经验表明，建筑平面和竖向的规则性，在抗震工程中均有重要影响。
1.3结构体系
高层建筑结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较而定。具体体现：
（1）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；
（2）结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；
（3）结构体系应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力；
（4）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
1.4多道抗震防线
多道抗震防线指的是：（1）一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，如框架—抗震墙体系是由延性框架和抗震墙两个系统组成；双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成；（2）抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的屈服区，以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。
高层建筑抗震结构体系应尽量设置多道防线，增加冗余设计。特别是当地震卓越周期与建筑物基本周期相同或接近时，多道抗震防线就更显示出其优越性，当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替后，建筑物自振周期将会出现较大幅度的变动，与地震卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，减轻地震的破坏作用。
对高层建筑采用的框架—抗震墙、框架—支撑、芯筒—框架、内墙筒—外框筒等双重抗侧力体系，可以在位于同一轴线上的两片单肢抗震墙（图1a）、抗震墙与框架（图1b）、两列竖向支撑（图1c）或在芯筒与外框架之间（图1d）。于每层楼盖处设置一根延性好、两端刚接的抗弯梁，当结构遭遇地震时，抗弯梁首先承担地震前期脉冲的冲击，以达到保护主体结构的目的。
图1带赘余杆件的耗能结构
（a）两片单肢抗震墙（b）墙和框架（c）并列斜撑（d）芯筒和框架柱
1.5延性要求
一个结构抗震能力的强弱，主要取决于其对地震能量“吸收与耗散”能力(结构延性)的大小。结构的延性可定义为：（1）在结构承载能力无明显降低的前提下，结构发生非弹性变形的能力。（2）利用滞回特性吸收能量的能力。
一般来说，承载力较低但具有很大延性的结构，所能吸收的能量多，虽然较早出现损坏，但能经受住较大的变形，避免倒塌。而仅有较高强度而无塑性变形能力的脆性结构，吸收的能量少，一旦遭遇超过设计水平的地震时，很容易因脆性破坏而突然倒塌。因此抗震设计中，提高结构延性是增强结构抗倒塌能力的重要途径之一。在结构抗震设计中延性有四层含义：
（1）材料的延性：发生较大的非弹性变形或反复弹塑性变形时强度没有明显下降的材料称延性材料。
（2）杆件的延性：构件中某一杆件（墙片中的连梁或墙肢、框架中的梁或柱）的塑性变形、能量吸收与耗散的能力。
（3）构件的延性：结构中某一构件（一片墙或一榀框架）的塑性变形、能量吸收与耗散的能力。
（4）结构的延性：结构的延性通常指其整体塑性变形能力和抗震倒塌能力。高层建筑具有抗倒塌能力而言，最理想的做法是结构中所有的构件及构件中所有的杆件均具有较高的延性，然而这一点很难做到，因此在结构抗震设计中，通常是有选择地重点提高结构中的重要构件以及某些构件中关键部位的延性。其具体做法有：
（1）平面上加强高层建筑平面突变处、周边转角处、复杂平面各翼相接处的构件延性，重视偏心结构周边刚度较弱一侧构件的延性；
（2）竖向加强高层建筑可能出现塑性变形集中的薄弱楼层的构件延性。如：a.加强体型突变处楼层的构件延性；b.沿高度刚度均匀的建筑，加强结构底层的构件延性；c.加强大底盘高层建筑主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性（图2a）；d.加强框托墙高层建筑底层或底层几层的框架的延性（图2b）。
（3）加强多道抗震防线的抗侧力体系中第一道防线中构件的延性；
（4）同一构件中加强关键杆件的延性；同一杆件中预期出现塑性铰部位的延性。
1.6结构的整体性
高层建筑的整体性可保证结构各部分在地震作用下协调工作，避免结构转变为机动体系及外围构件平面外失稳而导致倒塌。例如：
（1）钢混结构中在构件的选型上，应优先采用现浇混凝土楼、屋盖。汶川地震中，有许多预制装配式楼盖掉落导致人员伤亡的情况，但也有许多采用预制板的建筑完好或轻微损坏，需要认真总结经验，从楼盖体系和构造上采取措施，以提高安全性。国外的资料表明：设置板边圈梁、板缝现浇配筋带，并设置板端现浇配筋销键，可以有效地提高楼盖的整体性；
（2）高层建筑中填充砌体墙中采用水平向（圈梁）和竖向（构造柱、组合柱）钢筋混凝土构件，加强对填充砌体墙的约束，或采用配筋砌体；使砌体在发生裂缝后不致散落和坍塌，地震时不致丧失对重力荷载的承载能力；
（3）避免钢结构构件的整体和局部失稳，保证节点焊接部位（焊缝和母材）在地震时不致开裂。
图2提高延性的重点楼层
（a）大底盘建筑 （b）框托墙结构体系
1.7非结构构件的处理
非结构构件包括或多或少地参与了主体结构工作的建筑非结构构件和不参与主体结构工作的建筑附属机电设备的支架等。建筑非结构构件主要包括以下三类：（1）非结构的墙体。如围护墙、隔墙、框架填充墙；（2）附属结构构件。如女儿墙、高低跨封墙、雨蓬等；（3）装饰物。如玻璃幕墙、建筑贴面、顶棚、悬吊重物等。
非结构构件的破坏虽然不会直接造成结构的破坏，但会影响安全和使用功能，也须进行抗震设计。具体要求有：
（1）框架填充墙的设置增大了结构的质量和刚度，从而增大了地震作用，可能引起结构形成刚度和承载力突变的薄弱部位而引起倒塌，但同时由于墙体也参与抗震，分担了一部分水平地震力，减少整个结构的侧移。因此在构造上应当加强框架与填充墙的联系，使非结构构件的填充墙成为主体抗震结构的一部分。
框架结构留窗洞时，常将窗台下墙体嵌砌于两柱之间，由于这部分墙体对框架柱的刚性约束，窗台以上形成短柱，地震时会发生脆性的剪切破坏。为避免这一现象发生，可采取墙体柔性连接方案，以削弱墙柱之间联系，防止嵌固作用出现。
（2）附着于楼、屋面结构上的非结构构件，应采取措施加强本身的整体性，并与主体结构有可靠的连接或锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备；
（3）幕墙、装饰贴面应增强其与主体结构的可靠连接，必要时采用柔性连接，使主体结构变形不会导致贴面和装饰的损坏，同时避免地震时脱落伤人。
（4）安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。
2抗震计算
高层建筑结构抗震设计首先要计算结构的地震作用，然后再求出结构和构件的地震作用效应。将地震作用效应与其它荷载效应进行组合，并验算结构和构件的抗震承载力及变形，以满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计要求。
2.1地震作用计算
地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用，其作用点在结构的质量中心。地震作用是一种动态的间接作用过程，地震作用的大小与地震强弱、震源的远近、场地特性、建筑物的自身特点等多种因素密切相关。
在结构的抗震设计中，通常认为水平地震作用对结构起主要作用。因此在验算结构抗震承载力时一般只考虑水平地震作用，仅在高烈度区建造对竖向地震作用敏感的大跨、长悬臂、高耸结构及高层建筑时才考虑竖向地震作用。对于由水平地震作用引起的扭转影响，一般只对质量和刚度明显不均匀、不对称的结构才加以考虑。
2.2抗震验算
2.2.1截面抗震验算
结构在设防烈度下进入弹塑性状态，其承载力并不存在安全储备，结构在设防烈度下的抗震验算根本上应该是弹塑性变形验算，但为减少验算工作量并符合设计习惯，（1）对大部分结构可变形验算转换为众值烈度地震作用下构件承载验算的形式来表现（当结构的均匀性和规则性较好时，较容易估算结构在强震下的反应，而对杂结构则效果较差）；（2）现阶段大部分结构构件截面抗震验算时，采用了各有关规范的非抗震承载力设计值，采用承载力抗震调整系数与之衔接，即将非抗震承载力设计值除以承载力抗震调整系数,计算时采用直接将考虑地震作用的效应值乘以抗震调整系数进行折减的方法。
2.2.2多遇地震作用下的弹性变形验算
多遇地震作用下的弹性变形验算属于正常使用极限状态的验算，满足第一水准的设防要求，其楼层内最大的弹性层间位移应符合相应的要求。
2.2.3罕遇地震作用下薄弱层（部位）弹塑性变形验算
罕遇地震作用下薄弱层（部位）弹塑性层间位移角限值是确保建筑主体结构遭受破坏或严重破坏时不倒塌，满足第三水准的设防要求。
3抗震措施
抗震措施是指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，它包括：（1）地震内力计算和调整；（2）抗震构造措施：指不需计算、根据长期工程实践摸索得到的对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求，比如构件最小尺寸、轴压比、边缘构件、配筋率、加密区等。很多工程设计人员对抗震措施、抗震构造措施概念不清。下面重点阐述抗震措施中的地震内力计算和调整。基于有限单元法的地震内力计算结果是定值，地震设计的内力调整是基于对地震内力无法精确计算的一个人工保守干预，往往比较繁琐。调整的基本思路一般为：
（1）由结构类型、抗震设防烈度和房屋高度决定结构抗震等级；
（2）按抗震等级对结构构件的计算内力进行调整，地震内力标准值经调整后再进行荷载组合（《高规》5.6.3）；
（3）荷载组合后的构件设计内力还需进行二次调整（《高规》5.6.5）。
3.1水平地震力（剪力）整体调整
按规范采用振型分解反应谱法计算结构效应时，由于地震影响系数在长周期段下降较快，对于基本周期大于3.5s的结构，其值可能太小。特别是对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响，反应谱只反映了加速度对结构的影响，对长周期结构是不全面的。规范出于结构安全考虑（《抗规》5.2.5及《高规》4.3.12），提出了对结构总水平地震剪力和各层水平地震剪力最小值的要求，规定了不同烈度下的剪力系数，当不满足时，需改变结构布置或调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求。
3.2竖向地震力整体调整
楼层各构件的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值比例分配，并宜乘以增大系数1.5（《高规》4.3.13.3），此为结构的竖向地震作用的精确计算比较繁杂而采用的整体调整简化计算。
3.3不考虑扭转耦联的边榀构件水平地震力整体调整
地震扭转效应是一个极其复杂的问题，一般情况宜采用较规则的结构体型，以避免扭转效应。即使平面规则的建筑结构，考虑由于施工、使用等原因所产生的偶然偏心引起的地震扭转及地震地面运动扭转分量的影响，国内外规范一般采用增大边榀构件地震内力的简化处理方法来考虑规则结构不考虑扭转耦联计算时的地震扭转效应。具体要求为：
规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀各构件，其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下，短边可按1.15采用，长边可按1.05采用；当扭转刚度较小时，周边各构件宜按不小于1.3采用。角部构件宜同时乘以两个方向各自的增大系数（《抗规》5.2.3.1）。
3.4局部调整
地震内力局部调整的内容有很多，这里仅对平面及竖向不规则、水平转换构件、框架—剪力墙结构中的框架、框支柱等给予抗震分析。
3.4.1平面及竖向不规则的主要类型见表1和表2。
表2中表述的平面规则而竖向不规则的建筑，应采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数（《高规》3.5.8系数为1.25），其薄弱层应按有关规定进行弹塑性变形分析。上述指是整层地震剪力的调整，其后对本层构件剪力、弯矩、轴力都作相应调整。
3.4.2水平转换构件（转换梁、桁架、斜撑、空腹桁架、箱型结构等）
（1）平面规则而竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型、受力情况、几何尺寸等，乘以1.25～2.0的增大系数（《抗规》3.4.4.2）；
（2）特一、一、二级转换结构构件的水平地震作用计算内力应分别乘以增大系数1.9、1.6、1.3(《高规》10.2.4)；上述水平转换构件中调整的地震内力包括弯矩、剪力、轴力。
3.4.3框架—剪力墙结构中的框架
框架—剪力墙结构在水平地震作用下，框架部分计算所得的剪力通常较小。按多道防线的概念设计要求，墙体是第一道防线，在设防地震、罕遇地震下先于框架破坏，由于塑性内力重分布，框架部分按侧向刚度分配的剪力会比多遇地震下加大，为保证作为第二道防线的框架具备一定的抗侧力能力，需要对框架承担的剪力予以适当的调整。
抗震设计时，框架—剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力若小于0.2VO,则各层框架承担的总剪力应按min（0.2VO和1.50.2Vfmax）采用。
3.4.4框支柱
部分框支剪力墙结构，在转换层以下，落地剪力墙的刚度往往远大于框支柱的刚度，落地剪力墙几乎承受全部地震剪力，框支柱的剪力非常小。实际工程中由于：（1）转换层楼面出现的显著面内变形，将导致框支柱剪力显著增加；（2）落地剪力墙裂缝出现后的刚度下降，也将导致框支柱剪力的增加。所以按转换层位置的不同以及框支柱数目的多少，对框支柱剪力的调整增大作了不同的规定(《高规》10.2.17)。
框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端框架梁的剪力和弯矩；框支梁的剪力、弯矩、框支柱的轴力不作调整。此处仍需注意：上述基底剪力是指整体剪重比和薄弱层调整后的剪力。
3.5构件调整
高层建筑荷载组合之后的构件设计内力，为实现结构延性的设计要求，应根据抗震等级进行相关调整。其调整原则为：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件等。
4结语
高层建筑结构的抗震设计应以概念设计为主，结合工程实践经验加以判断和把握。对规范的理解不同可能会造成定量把握程度的偏差，但总体应在规范要求的统一宏观控制标准上。现行的施工图审查制度有益于结构安全，但也会束缚设计人员的手脚，制约结构抗震设计的创新与提高，这就要求结构工程师在理解规范的前提下，结合概念设计和工程经验灵活运用相关规范。
参考文献：
[1]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S]
论文作者:郑屹
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年9月上
论文发表时间:2016/8/31
标签：结构论文; 构件论文; 延性论文; 剪力论文; 框架论文; 作用论文; 塑性论文; 《建筑建材装饰》2015年9月上论文;