浅谈抗震概念与高层建筑结构设计

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摘要：针对目前建筑结构设计当中过分依赖结构软件计算结果，不注重结构的构造设计。提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展。所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确力学分析或在规范中难以规定的问题中，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

关键词：建筑设计；概念设计；抗震

近十年来，高层建筑大量涌现，其结构一般都是不规则的，有些是特别不规则的，从而使结构设计遇到了许多难点，结构工程师发挥了创造才能，尽可能地解决结构设计中的难题和技术关键，从而陆续产生了能适应建筑师创新意识的多种复杂高层建筑结构体系。高层建筑连体结构是一种新型结构形式，通过在不同建筑塔楼间设置连接体使其成为共同的使用空间。同时，由于连体建筑的独特外形能够带来强烈的视觉效果，使建筑型体更具特色。

1.我国现行规范对抗震设计的要求

地震作用是一种随机的不可复制的自然运动，是其大小和方向都无法确定的一种偶然荷载。根据我国《抗规》规定，建筑物的抗震设计按“三水准二阶段”进行，即体现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则，一般情况下遭遇第一水准烈度时，建筑处于正常使用状态，从结构抗震设计计算的角度，可以视为弹性体系，用弹性反应谱进行弹性阶段分析；当遭遇第二水准烈度时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围，此阶段的设计主要由构造来体现；遭遇第三水准烈度时，结构有较大的非弹性变形，但变形控制在规定的范围内，以免倒塌。二阶段的设计即是按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力以及在小震作用下验算结构的弹性变形，一般采用的是弹性反应谱分析方法，以满足第一水准抗震设防目标的要求；第二阶段是在大震作用下验算结构的弹性塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。对于第二水准抗震设防目标的要求，《抗规》是以抗震措施来加以保证的。

2.选择有利的抗震场地

通过比较震害普查绘制的等震线图可以发现，在正常的烈度区内,常存在着小块的高一度或低一度的烈度异常区。同一次地震的同一烈度区内，位于不同小区的房屋，尽管建筑形式、结构类别、施工质量等情况基本相同，但震害程度却出现较大差异，究其原因，主要是地形和场地条件不同造成的。国内多次大地震的调查也表明，局部地形条件是影响建筑物破坏程度的一个重要因素。位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土是对建筑抗震有利的地段。对建筑抗震不利的地段，一般是可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段。就地形而言，一般是条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘。就场地土质而言，一般是软弱土、易液化土，故河道、断层破碎带或半挖半填地基等。一般情况下，遇到不利地段时宜采取避开的方案，实在无法避开时，应尽量使建筑物场地选择建在基岩或薄土层上，或具有较大“平均剪切波速”的坚硬场地土上，以减少输入建筑物的地震能量，从根本上减轻地震对建筑物的破坏作用。

3.科学布局建筑平面和立面

建筑平面和立面的规整性是结构设计中的一个十分基础、重要的内容。建筑平面、立面在抗震设计中宜尽可能简洁、规则，结构质量中心与刚度中心相一致。对于结构平面布置不规则的房屋质心与刚度中心往往不容易重合，在地震作用下会产生扭转效应，大大加剧地震的破坏力度。建筑立面设计时应避免采用带有突然变化的阶梯形立面，并尽可能降低房屋的重心，突出屋面建筑部分的高度不应过高，以免地震时发生鞭梢效应。建筑的层数越多，高度越高，它的地震破坏程度越大，因为楼盖重量占房屋总重的一半左右，总高度相同，多一层楼盖就意味着增加半层楼的向地震作用，同时加大对底部的倾覆力矩，所以控制砖砌体房屋的总高度及总层数对减少地震时带来的震害有很大作用，减轻自重、减少层数、降低层高是削弱地影响的有效途径之一。

4.合理地进行结构的选型与布置

在结构选型方面应根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，经济技术、经济条件比较综合确定。常见的结构类型按照抗震性能优劣依次是：钢结构，型钢混凝土结构，混凝土-钢混合结构，现浇钢筋混凝土结构，预应力混凝土结构，装配式钢筋混凝土结构，配筋砌体结构，砌体结构等。结构布置要遵循平面布置力求对称。竖向布置力求均匀的一般原则。在采用纯框架结构的高层建筑中应尽量避免将楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连，这样会使该柱变成短柱，地震时容易发生剪切破坏。

5.非结构部件处理

在地震作用下，建筑中的内隔墙、楼梯踏步板、框架填充墙、建筑墙板等部件也会或多或少地参与工作，可能改变整个结构或某些构件的刚度、承载力和传力路线，产生出乎意料的抗震效果，或造成未估计到的局部震害。妥善处理这些非结构部件，可减轻震害，提高建筑的抗震可靠度。

6.优化准则及其保证措施

考虑地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震概念设计的优化准则和采取相应的构造措施。优化准则“强节弱杆”--防止节点破坏先于构件“；强柱弱梁”--防止杆系发生楼层倾移破坏机制，要求柱的抗弯能力高于梁的抗弯能力“；强剪弱弯”--防止构件剪力破坏，要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力“；强压弱拉”--对杆件截面而言，为避免杆件在弯曲时发生受压区混凝土破裂的脆性破坏，使受拉区钢筋承载力低于受压区混凝土受压承载力。保证措施保证措施有两个方面：一是调整或限制构件的荷载效应，二是强制规定必要的构造措施。这两个方面在高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）有详细的规定，有的则是以强制性条文提出严格要求。如：高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中第6.3.2条的第1点限制梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比，就是保证梁的变形能力，而它又决定于梁端塑性转动量，而塑性转动量又与截面混凝土受压区的相对高度密切相关；试验研究结果表明要使钢筋混凝土梁的位移延性系数达到3--4，混凝土受压区相对高度必须控制在0.25--0.35。总之，高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中许多条文以及强制性条文都是与这“四强四弱”密切相关，因此，必须在充分理解规范、规程中的具体条文的基础上加以运用相应的构造措施。

7.结语

对于高层建筑的方案设计，掌握了结构概念，就能进行合理的结构布置，就能控制大局，预见薄弱部位，通过合适的计算与构造，使未来的建筑更完全、更经济、更适用。