芻議抗震概念設(shè)計在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用關(guān)鍵分析

文／蔡德昌 湖南省輕紡設(shè)計院有限公司 湖南長沙 410000

楊晗琦 中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司 湖南長沙 410000

引言：

我國的地質(zhì)條件復(fù)雜，地震頻發(fā)對我國社會經(jīng)濟發(fā)展、人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴重的影響。地震的發(fā)生具備突發(fā)性、不可控性、大破壞性等特點，這也大大增加了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的難度，將可靠的抗震概念融入到工程實際項目設(shè)計中，對提高結(jié)構(gòu)抗震性能，保證結(jié)構(gòu)安全性，延長結(jié)構(gòu)使用壽命有著積極的意義。

1、抗震概念設(shè)計的基本內(nèi)容

1.1 抗震概念設(shè)計的必要性

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)的不斷進步，高層建筑越來越頻繁出現(xiàn)在工程建設(shè)中。高層建筑作為一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中不僅需要考慮豎向恒活載作用下安全，還需滿足抗風(fēng)抗震等相關(guān)性能要求。近年來地震活動愈發(fā)頻繁，給無數(shù)房屋建筑造成了不同程度的破壞，給人民生命財產(chǎn)造成了無法估量的損失。高層建筑使用人數(shù)多，地震引發(fā)的建筑破壞對周邊影響極大，因此高層建筑的抗震設(shè)計的重要性更為凸顯。

一方面，由于地震發(fā)生具有隨機性及復(fù)雜性，給結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗震設(shè)計參數(shù)取值帶來了極大的困難；另一方面，高層建筑作為一個龐大復(fù)雜的綜合體系，在地震作用下破壞機理異常復(fù)雜，且在地震作用下結(jié)構(gòu)材料的非線性無法在數(shù)值模擬模型中真實反映，因此在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，建筑結(jié)構(gòu)的抗震問題無法完全通過數(shù)值計算模型計算得以解決。因此，針對計算程序無法解決的抗震問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計師有必要運用概念設(shè)計理念進行分析判斷，對結(jié)構(gòu)體系中存在薄弱的部位采用相應(yīng)的方法進行補強，增強高層建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

1.2 抗震概念設(shè)計基本內(nèi)容

根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范相關(guān)條文，抗震概念設(shè)計是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，進行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細部構(gòu)造的過程，是基于震害經(jīng)驗總結(jié)而得出的抗震基本原則及思想?？拐鸶拍钤O(shè)計主要包括以下基本內(nèi)容。

1.2.1 選擇合適場地

高層建筑可簡化為支承于地基基礎(chǔ)上的長懸臂結(jié)構(gòu)，地震荷載由場地地基傳遞而來，建筑場地的選擇直接影響高層建筑物所受地震荷載的大小。總結(jié)歷次震害經(jīng)驗表明，場地因素引起的震害大且嚴重，且由場地因素引起的震害僅靠結(jié)構(gòu)設(shè)計采取補強措施難以彌補。因此，在建筑選址階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)重視工程建設(shè)場地的選擇，應(yīng)選擇對結(jié)構(gòu)抗震有利或一般的地段，宜避開對建筑抗震不利的地段，禁止選擇在危險地段。對于發(fā)震斷裂或震陷場地，結(jié)構(gòu)設(shè)計師需根據(jù)發(fā)震斷裂或震陷對工程影響的評價提出避讓要求，對抗震不利地段且無法避開時，需在設(shè)計文件中夠提出有效的抗震加強措施。

1.2.2 優(yōu)化建筑平立面布置

建筑物的動力特性取決于其建筑物平立面布局和結(jié)構(gòu)平面布置，建筑布局簡單合理，結(jié)構(gòu)布置滿足抗震概念設(shè)計原則，能從根本上保證建筑物具備良好的抗震性能。因此，建筑形體的平立面布局規(guī)則對抗震設(shè)計尤為重要。建筑的平立面布置應(yīng)符合概念設(shè)計的要求，不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的方案。建筑規(guī)則性要求各層建筑平面形狀和立面尺寸變化不宜過大，其實質(zhì)是保證結(jié)構(gòu)宜具有合理的剛度和承載力分布，一是減少結(jié)構(gòu)由于質(zhì)心與剛心不重合引起的扭轉(zhuǎn)振動進而導(dǎo)致地震反應(yīng)增大，二是避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形從而導(dǎo)致地震反應(yīng)加大。建筑的平面布置應(yīng)要求盡量規(guī)則，減少凹凸收進，立面布置要求盡量減少收進突變，且需保證墻柱等豎向抗側(cè)力構(gòu)件均勻布置，保證結(jié)構(gòu)平面、立面及豎向或抗側(cè)力體系無明顯的突變，進而保證平面布置、側(cè)向剛度及承載力的連續(xù)性。

1.2.3 合理結(jié)構(gòu)布局

結(jié)構(gòu)體系是抗震設(shè)計需考慮的關(guān)鍵問題。結(jié)構(gòu)工程師需根據(jù)高層建筑的建筑高度，使用功能，場地條件及所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度選取合適的結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)所選結(jié)構(gòu)類型合理布置梁板墻柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循以下規(guī)定：結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震荷載傳遞途徑。力總是沿最短的路徑傳遞，傳力越直接,過程越簡單，地震荷載影響的構(gòu)件越少,可以有效避免傳力途中某些構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜程度，進而有利于受力構(gòu)件的變形及構(gòu)件強度控制。

其次，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)具有多道抗震防線，避免在地荷載作用下由于部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞原因?qū)е抡麄€體系喪失抗震能力或整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量增設(shè)冗余度，在地震作用時利用贅余桿件的屈服破壞和彈塑性變形來消耗盡可能多的地震能量，減輕地震對主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

1.3 抗震概念設(shè)計基本原則

1.3.1 剛?cè)岵瓌t

在結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計中，應(yīng)遵循剛?cè)岵瓌t?？拐鹪O(shè)計中，增大結(jié)構(gòu)剛度及抗力，于結(jié)構(gòu)抗震性能不一定有利。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度愈大，吸收的地震力也愈大，為了抵抗地震荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需配筋通常也會越大，加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度來抵御地震荷載往往不經(jīng)濟。同時，當(dāng)整體結(jié)構(gòu)剛度太大時，吸收較大的地震荷載作用分配至構(gòu)件時，極易引起薄弱構(gòu)件失效，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件被各個擊破，造成結(jié)構(gòu)整體失效。另一方面，結(jié)構(gòu)剛度小，雖然具備良好的延性，有利于吸收地震傳遞的能量，但在荷載作用下會產(chǎn)生很大的變形，嚴重者超過正常使用極限，更有甚至造成整體結(jié)構(gòu)的傾覆。因此，在抗震設(shè)計中，堅持剛?cè)岵瓌t十分重要，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)核整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過控制結(jié)構(gòu)設(shè)計總參數(shù)中剛度，周期，位移信息滿足《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)限值要求且不應(yīng)超出太多，達到結(jié)構(gòu)既能滿足變形要求，又能有效減小地震作用。

1.3.2 多道設(shè)防原則

多道設(shè)防需要結(jié)構(gòu)設(shè)計通過控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震荷載作用下破壞的順序以達到抗震設(shè)防目標的一種抗震概念設(shè)計原則。根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范，我國建筑結(jié)構(gòu)抗震性能水準明確提出了三道防線的具體要求。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計第一道防線為耗能構(gòu)件，第二道防線為普通豎向構(gòu)件，第三道防線為關(guān)鍵構(gòu)件。在大震發(fā)生時，允許耗能構(gòu)件屈服消耗部分地震能量，然后是普通豎向構(gòu)件破壞進一步吸收部分地震能量，保證關(guān)鍵構(gòu)件在剩余部分地震能量作用下不發(fā)生損壞，進而保證整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全可靠性。地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞的過程是非常復(fù)雜的，每次有部分構(gòu)件進入屈服時都將引起新的內(nèi)力重分布。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計師需要保證耗能構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件及關(guān)鍵構(gòu)件在整體結(jié)構(gòu)中分布均勻，以保證在不同地震階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配均勻，進而使得各層次下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能能力得到充分利用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計師需對各類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行合理分配，正確處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強弱關(guān)系，明確哪些構(gòu)件為耗能構(gòu)件，一般豎向構(gòu)件及關(guān)鍵構(gòu)件，根據(jù)概念設(shè)計判斷結(jié)構(gòu)屈服機制，在恰當(dāng)?shù)奈恢貌贾煤线m的耗能構(gòu)件及關(guān)鍵構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)延性達到良好的標準。

1.3.3 重節(jié)點連接原則

抗震概念設(shè)計要求整體結(jié)構(gòu)完整，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接可靠。高層建筑結(jié)構(gòu)中,樓面及屋面對于聯(lián)系結(jié)構(gòu)構(gòu)件，增強機構(gòu)整體性起到至關(guān)重要的作用。由于在自身平面內(nèi)具有無限大剛度，樓蓋可對豎向剪力墻及框架柱形成有效支撐及約束，特別是豎向墻柱抗側(cè)力構(gòu)件布置不均勻或各抗側(cè)力構(gòu)件水平變形特性不同時，通過樓板的有效拉結(jié)作用，結(jié)構(gòu)梁板墻柱形成一個整體的結(jié)構(gòu)，各墻柱抗側(cè)力構(gòu)件形成整體協(xié)同工作。另一方面，高層建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)計算中通常會采用剛性樓板假定，為了保證實際結(jié)構(gòu)與計算分析模型一致性，有必要加強樓蓋設(shè)計，尤其是高層建筑的屋面及框架核心筒結(jié)構(gòu)的核心筒區(qū)域樓板及四角樓板，保證樓蓋平面內(nèi)剛度及梁板的連接剛度。

此外結(jié)構(gòu)的完整性還要求各結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接可靠，并要求構(gòu)件連接節(jié)點的承載力不應(yīng)低于構(gòu)件的承載力，嵌裝件的錨固能力不得低于連接件的錨固能力。在地震作用下，當(dāng)構(gòu)件屈服和剛度退化時，節(jié)點的承載力和剛度應(yīng)保持不變。

2、抗震概念設(shè)計在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1 選擇合適的建筑高度及寬度

建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性與建筑結(jié)構(gòu)的高度及寬度有直接的聯(lián)系，大量震害事實表明，建筑結(jié)構(gòu)平立面布局布置不合理，高寬比失衡對建筑抗震性削弱極為不利。高層建筑對于抗震穩(wěn)定性有極高的要求，結(jié)構(gòu)高寬比設(shè)置不合理，在地震作用下極易造成結(jié)構(gòu)薄弱部位失效，甚至導(dǎo)致整體建筑發(fā)生傾覆。因此，高層建筑在設(shè)計過程中需要按相關(guān)規(guī)程規(guī)范對不同場地烈度下規(guī)定的建筑高寬比限值進行嚴格控制，嚴禁采用嚴重不規(guī)則的建筑平立面設(shè)計方案。對于建筑高度超限或者高寬比不滿足相應(yīng)標準的建筑，需要建立符合實際結(jié)構(gòu)形式的計算分析模型進行各種荷載工況作用的分析模擬，如若計算參數(shù)無法滿足規(guī)程規(guī)范的技術(shù)要求，則需對結(jié)構(gòu)的平面布置進行適當(dāng)調(diào)整，或者按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范，采取合理有效的補救措施，對高層建筑結(jié)構(gòu)的薄弱部位進行局部補強，保證整體結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。

2.2 優(yōu)化建筑平立面

建筑平面規(guī)則性對結(jié)構(gòu)抗震性能有極大的影響，抗震概念設(shè)計在應(yīng)用過程中，需合理布置建筑平面，盡量減少建筑凹凸收進，以此來提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性。高層建筑平面布置宜規(guī)則、對稱，且具有良好的整體性；建筑的豎向立面宜盡量規(guī)則，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向剛度宜均勻變化，框架柱及剪力墻等豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自底層向上逐漸減小，盡量避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變?，F(xiàn)階段，高層建筑物平面布置主要以對稱結(jié)構(gòu)為主，如矩形、圓形、方形等，盡量減少平面布置中的凹凸收進，可以有效減小建筑物質(zhì)心與剛心的偏離，從而有效減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動，有效的減少了因扭轉(zhuǎn)變形造成的局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力集中或發(fā)生塑性變形屈服，進而提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。對于不對稱結(jié)構(gòu)建筑，需合理布置豎向抗側(cè)力構(gòu)件，且保證建筑平面突出或收進滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，以保證結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心重合，對結(jié)構(gòu)局部薄弱位置通過增設(shè)剪力墻或支撐的方式進行局部補強，使結(jié)構(gòu)整體剛度均勻不發(fā)生突變，保證建筑物的整體抗震性能。

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置對建筑抗震穩(wěn)定性具有決定性的影響，巧妙的結(jié)構(gòu)布置能夠有效提高高層建筑的抗震穩(wěn)定性。在開展抗震概念設(shè)計時，需要做好建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計，以提高結(jié)構(gòu)受力均勻性。在具體實踐中，首先根據(jù)類似工程經(jīng)驗初步估算構(gòu)件截面尺寸并進行結(jié)構(gòu)方案的初步布置，之后按估算截面建入計算模型進行分析計算，著重考察結(jié)構(gòu)剛度周期位移相關(guān)指標。根據(jù)計算分析結(jié)果，優(yōu)化梁板墻柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，當(dāng)計算結(jié)果剛度較大位移角較小時，適當(dāng)削弱保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件剛度，避免剛度過大進而導(dǎo)致吸收地震力較大不經(jīng)濟；當(dāng)計算結(jié)果剛度較小位移角較大時，在恰當(dāng)位置增加剪力墻及框架柱或支撐構(gòu)件增加結(jié)構(gòu)剛度，避免整體結(jié)構(gòu)剛度過小導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移超限。同時，在結(jié)構(gòu)布置時注重結(jié)構(gòu)多道防線的設(shè)置，可根據(jù)抗震概念設(shè)計要求區(qū)分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般豎向構(gòu)件及耗能構(gòu)件，并在合適的位置布置這些構(gòu)件，關(guān)鍵構(gòu)件做合適補強，耗能構(gòu)件按合適剛度進行設(shè)計。最后，結(jié)構(gòu)梁墻柱構(gòu)件布置時應(yīng)重概念，重視“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”概念設(shè)計，結(jié)構(gòu)重點部位需要核實加強，非重要部位可適當(dāng)放松設(shè)計。

3、抗震概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用建議

3.1 適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)延性

適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)延性，可以有效降低地震對高層建筑的破壞，有助于提高結(jié)構(gòu)地震性能[1]。在項目設(shè)計過程中也需要注意以下內(nèi)容：第一，做好材料篩選，結(jié)合建筑工程的抗震要求，選用延性材料，有效提升整體結(jié)構(gòu)延性。一般情況下，高層建筑主體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位及重要的梁柱部位均采用高強度、高韌性材料，對于耗能材料一般采用低強度高韌性材料，進而避免關(guān)鍵部位主體構(gòu)件在地震作用下過早屈服退出工作，影響整體建筑的抗震安全性能。第二，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計過程中，也需要優(yōu)選塑性變形較強的桿件，以此來提升結(jié)構(gòu)整體抗性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。第三，做好構(gòu)件的選擇工作，在實際應(yīng)用中應(yīng)選擇抗震性能較強的構(gòu)件，同時也需要優(yōu)選具備良好延性的構(gòu)件，以提升建筑結(jié)構(gòu)整體抗性，滿足相應(yīng)的使用要求。

3.2 不斷提高結(jié)構(gòu)整體性

不斷提高結(jié)構(gòu)整體性，能夠進一步提高高層建筑抗震穩(wěn)定性，以延長建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命[2]。實際設(shè)計中應(yīng)注意以下內(nèi)容：第一，設(shè)計中可以選擇鋼支撐或混凝土支撐作為支撐體系，利用支撐結(jié)構(gòu)具備的強度特征，有效提升建筑結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度，更好地抵抗建筑水平荷載，提升整個建筑結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)固性。第二，做好框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，選擇鋼制框架、混凝土框架等結(jié)構(gòu)形式提升建筑工程的豎向負載與水平負載。如果建筑桁架與單樓層的高度保持一致，則可應(yīng)用中也會使用一些交錯的鋼制桁架，以便更好地抵消建筑水平方向上的側(cè)向力，提升建筑工程整體的穩(wěn)固性。

3.3 提高結(jié)構(gòu)外圍豎向構(gòu)件抗側(cè)力

根據(jù)大量工程實踐經(jīng)驗可知，提高結(jié)構(gòu)外圍豎向構(gòu)件抗側(cè)力可以減少建筑結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的側(cè)向變形，有助于增加建筑結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性[3]。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，高層建筑往往會在風(fēng)或地震等水平作用影響下產(chǎn)生水平位移，由于各層水平位移不等產(chǎn)生了層間位移差，最大層間位移差主要在結(jié)構(gòu)外圍邊角位置出現(xiàn)，因此在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中需重點加強外圍豎向構(gòu)件抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)剛度，以約束結(jié)構(gòu)側(cè)移變形。同時在設(shè)計中，也需要做好樓板設(shè)計，保證樓蓋剛度，使其可以滿足剛性樓板假定要求。另外，在建筑工程設(shè)計中，也需要根據(jù)概念設(shè)計適當(dāng)加大外圍抗側(cè)力結(jié)構(gòu)如剪力墻、筒體的剛度來控制變形，而且也需要在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部適當(dāng)位置合理布置結(jié)構(gòu)墻柱進行剛度補充，從而提升內(nèi)筒與外圍柱子協(xié)同邊線能力，切實提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性。

3.4 做好非結(jié)構(gòu)件設(shè)計

通過做好非結(jié)構(gòu)件設(shè)計，可以有效提升結(jié)構(gòu)荷載穩(wěn)定性，以提升建筑結(jié)構(gòu)整體的抵抗性。在具體實踐中，應(yīng)注意以下內(nèi)容：第一，在實際設(shè)計中，需提高填充墻體、框架之間聯(lián)系的緊密性，確保圍護體系與結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起，保證維護與主體結(jié)構(gòu)之間的傳力合理均勻，從而有效減少局部構(gòu)件的應(yīng)力集中問題[4]。第二，在建筑工程設(shè)計環(huán)節(jié)，需注重建筑裝飾面的固定，保證建筑裝飾物與主體結(jié)構(gòu)緊密連接，提升整體結(jié)構(gòu)應(yīng)對地震災(zāi)害的抵抗力。

結(jié)語：

綜上所述，充分運用抗震概念設(shè)計，合理布局建筑平立面方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置，提高結(jié)構(gòu)整體性，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)延性，做好非結(jié)構(gòu)件設(shè)計，可以有效增強建筑的抗震穩(wěn)定性，減輕地震對高層建筑的破壞。在高層建筑設(shè)計過程將抗震概念設(shè)計的理念融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于有效增強高層建筑的結(jié)構(gòu)整體抗震性，延長建筑工程使用壽命有著積極的意義。