關(guān)于高層建筑延性設(shè)計的要點分析

范振華

西安邁科金屬國際集團(tuán) 陜西西安 710075

關(guān)于高層建筑延性設(shè)計的要點分析

范振華

西安邁科金屬國際集團(tuán) 陜西西安 710075

延性設(shè)計使結(jié)構(gòu)在構(gòu)件屈服之后仍具有足夠的變形能力,依靠結(jié)構(gòu)的彈塑性變形來消耗地震能量, 保證屈服部分發(fā)生延性破壞,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞和整個結(jié)構(gòu)的倒塌。延性結(jié)構(gòu)既能維持承載能力又有較大的塑性變形能力，具有良好的抗震性能。設(shè)計中既要保證結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的延性也要保證結(jié)構(gòu)整體的延性，對于高層建筑延性影響較大的因素，設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求。

高層建筑；延性設(shè)計；抗震設(shè)防；設(shè)計規(guī)范

0 引言

大量的試驗研究和地震實例表明,在地震（尤其是罕遇地震)作用下,建筑結(jié)構(gòu)大都會進(jìn)入彈塑性狀態(tài),出現(xiàn)彈塑性變形。延性設(shè)計，即使結(jié)構(gòu)在構(gòu)件屈服之后仍具有足夠的變形能力,依靠結(jié)構(gòu)的彈塑性變形來消耗地震能量,保證屈服部分發(fā)生延性破壞,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞和整個結(jié)構(gòu)的倒塌。這種設(shè)防思想在新的建筑抗震設(shè)計規(guī)范中具體化為“小震”（常遇地震）不壞，“中震”（基本烈度地震）可修和“大震”（罕遇地震）不倒。世界上其他多地震國家的抗震設(shè)計規(guī)范，也都采用了類似的設(shè)計思想。

高層建筑的延性設(shè)計既要保證結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的延性也要保證結(jié)構(gòu)整體的延性，所以實際設(shè)計中，既要著眼全局也要注重細(xì)節(jié)。

1 高層建筑延性設(shè)計要點

1.1 保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性的設(shè)計要點

（1）軸壓比

軸壓比是影響柱子延性的最重要因素。當(dāng)軸壓比過大時,使柱子受壓區(qū)高度加大，壓彎構(gòu)件會從大偏壓狀態(tài)向小偏壓狀態(tài)過渡，小偏壓受壓破壞延性很小，從而導(dǎo)致構(gòu)件延性的大幅降低。

（2）剪跨比

剪跨比是影響梁、柱延性設(shè)計的又一重要影響因素，設(shè)計中要保證構(gòu)件有一定延性，首先應(yīng)該防止脆性的剪切破壞，而剪切破壞形式受剪跨比控制。試驗表明，梁、柱剪切破壞均為脆性破壞，可不同剪跨比表現(xiàn)的脆性又不一樣，通過控制剪跨比，可使構(gòu)件脆性表現(xiàn)的較弱。

（3）剪壓比

剪壓比是截面上平均剪應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值的比值，用于說明截面上承受名義剪應(yīng)力的大小。梁塑性鉸區(qū)的截面剪壓比對梁的延性、耗能能力及保持梁的強(qiáng)度、剛度有明顯的影響，當(dāng)剪壓比大于0.15的時候，梁的強(qiáng)度和剛度有明顯的退化現(xiàn)象，此時再增加箍筋用量，也不能發(fā)揮作用，因此對梁柱的截面尺寸有所要求。

（4）鋼筋的配筋率

增加縱向鋼筋配筋率，不僅可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抵抗彎矩；同時也可以提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)的延性。

（5）箍筋配筋率。

由試驗研究可知，位移延性隨著配箍率的增加而提高。箍筋間距越小,配箍率越大,延性的增長也越顯著。增加配箍率,就是增加對混凝土橫向變形的約束,提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。提高配箍率還可以提高混凝土的極限壓應(yīng)變,使其在混凝土受壓區(qū)更均勻地分布,從而提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限位移值。

（6）材料的強(qiáng)度。

提高混凝土的強(qiáng)度,則降低構(gòu)件的軸壓比,無疑可以提高構(gòu)件的位移延性。但在縱向配筋率相同的條件下,提高混凝土標(biāo)號等于減少鋼筋在換算截面中所占的比重,也就意味著縱向鋼筋配筋率的減少,反而會使位移延性降低。

1.2 保證結(jié)構(gòu)整體延性的設(shè)計要點

（1）層間位移角

層間位移角是按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比；主要為限制結(jié)構(gòu)在正常使用條件下的水平位移，確保高層結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的剛度，避免產(chǎn)生

過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。層間位移角計算時不考慮偶然偏心，不考慮雙向地震。

（2）剪重比（最小剪力系數(shù)）

剪重比，規(guī)范中稱剪力系數(shù)，為對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力與重力荷載代表值的比值。剪重比是抗震設(shè)計中非常重要的參數(shù)。規(guī)范規(guī)定剪重比計算，主要是因為在長周期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，對于基本周期大于3.5s的結(jié)構(gòu)，由此計算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)有可能太小。而對于長周期結(jié)構(gòu)，地震動態(tài)作用下的地面運動速度可能對結(jié)構(gòu)有更大的破壞作用，而振型分解反應(yīng)譜法尚無法對此作出較準(zhǔn)確的計算。出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震剪力的最小值，該值如不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，需進(jìn)行調(diào)整。

（3）層剛度比和層抗剪承載力

層剛度比主要為限制結(jié)構(gòu)豎向布置的不規(guī)則性，避免結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，形成薄弱層，層間受簡承載力比也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性和判斷薄弱層的重要指標(biāo)。層剛度比過小，出現(xiàn)薄弱層；層抗剪承載力過小，則出現(xiàn)軟弱層， 兩種情況都是高層建筑設(shè)計中應(yīng)該予以避免的。

（4）偶然偏心、雙向地震以及扭轉(zhuǎn)控制

偶然偏心是指由偶然因素引起的結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布變化，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有振動特性變化，因而結(jié)構(gòu)在相同地震作用下的反應(yīng)也將發(fā)生變化?？紤]偶然偏心，就是考慮由偶然偏心引起的最不利地震作用。計算單向地震作用時應(yīng)考慮偶然偏心的影響。條文說明中指出，當(dāng)計算雙向地震作用時，可不考慮質(zhì)量偶然偏心的影響。

質(zhì)量偶然偏心和雙向地震作用都是客觀存在的事實，是兩個完全不同的概念。在地震作用計算時，無論考慮單向地震作用還是雙向地震作用，都有結(jié)構(gòu)質(zhì)量偶然偏心的問題；反之，不論是否考慮質(zhì)量偶然偏心的影響，地震作用的多維性都應(yīng)考慮。顯然，同時考慮二者的影響計算地震作用原則上是合理的。

高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)通過兩個參數(shù)來控制：周期比和位移比位移比控。周期比越小，則結(jié)構(gòu)的抗扭剛度相對于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度就越大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞的幾率就越小，有利于結(jié)構(gòu)抗震。由于周期是結(jié)構(gòu)的固有屬性( 與地震作用無關(guān)) ，周期比同樣由結(jié)構(gòu)自身特性決定，因此高層設(shè)計應(yīng)通過合理的結(jié)構(gòu)布置，盡量降低結(jié)構(gòu)的周期比，減小結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞的幾率，以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。

2 結(jié)語

延性結(jié)構(gòu)既能維持承載能力又有較大的塑性變形能力，具有良好的抗震性能。設(shè)計中既要保證結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的延性也要保證結(jié)構(gòu)整體的延性，對于高層建筑延性影響較大的因素，設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求。

[1] GB20011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[2] JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[3] 張偉山.高層建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計探析[J].黑龍江科技信息. 2007(21)

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