高层建筑结构设计若干重要问题探讨

1、高层建筑结构设计若干重要问题探讨摘要：结合近年来国外震害调查和超限高层建筑结构工程应用研究，针对我国现行高层建筑结构抗震设计规范规程中框架柱剪力调整、框架柱轴压比、框支框架倾覆弯矩、地基基础设计若干重要问题提出了探讨修改意见，它们与结构的延性、安全性、经济性直接相关。若干高层建筑工程设计采用了这些修改意见，取得了良好效果。现正值规范启动修订之际，发表此文供参考。关键词：剪力调整 轴压比 倾覆弯矩 基础设计 一、框架柱剪力调整受力需要：框剪结构在小震作用下，弹性计算变形协调所得的框架柱剪力较小；大震作用下，剪力墙、筒体及连梁出现裂缝后，刚度退化，框架柱剪力将大大增加。抗震需要：提高结构二道防线的

2、抗震能力。现行规范剪力调整计算原则：框架柱层总剪力调整值：中较小值 （1）；第i层框架柱剪力调整系数: （2）式中 基底总剪力 框架柱楼层总剪力最大值 i层框架柱总剪力如图1所示，第i层j框架柱剪力、弯矩相应调整为: （3）由节点力系平衡，相连第i层j框架梁梁端剪力、弯矩调整为: （4）式中 i层j框架柱剪力 i层j框架柱柱端弯矩；、 i层与j框架柱相连的框架梁两端k、k+1弯矩调整值i层与j框架柱相连的框架梁梁端剪力调整值 图1 框架剪力调整弯矩图问题：是否需满足节点力系平衡调整相连框架梁梁端剪力、弯矩？分析：1、框架柱偏压，轴压比控制，其配筋一般由抗震构造控制，柱剪力调整，柱的实际配筋一般

3、未能得到调整增大，实际框架柱承载能力未能得到有效提高。2、框架梁纯弯，梁端弯矩调整，配筋成比例调整增大，实际框架梁承载能力得到明显提高。3、台湾、日本、美国震害表明，楼盖整浇的钢筋混凝土结构的竖向构件墙、柱破坏严重，而由于整浇楼盖对框架梁的“增强”、“卸荷”效应，楼盖梁板一般不出现破坏。4、如果考虑节点力系平衡，调整框架梁梁端内力，实际结构承载能力向强梁弱柱方向发展，不利于整体结构强柱弱梁延性抗震。建议：1、小震作用下的钢筋混凝土框剪结构柱剪力调整十分必要。2、不必拘泥于地震作用下框架节点力系平衡。3、不必调整相连框架梁梁端弯矩、剪力，以利于框架梁先屈服发挥延性，以利于相对强化框架柱。 二、框

4、架柱轴压比控制抗震受力延性需要：避免大震作用下框架柱压屈脆性破坏。现行规范框架柱轴压比控制计算原则：控制框架柱小震作用组合下轴压应力设计值水平如式（5）所示，其中轴压比限值如表1所示。 （5）式中 N 小震作用组合下框架柱轴力设计值A 框架柱截面积 框架柱混凝土强度等级 表1 框架柱轴压比限值 结构类型抗震等级一二三框架0.70.80.9框架剪力墙0.750.850.95框支剪力墙0.60.7分析：此轴压比限值仅与框架柱所在结构类型及抗震等级有关，而与框架柱在结构中所处的地位无关。但实际地震作用下框架中、边、角柱所受轴力水平不同，如图2所示：中柱所受轴力较小，边柱、角柱所受轴力较大，尤其角柱迭

5、加斜向作用、扭转作用所受轴力最大。 图2 水平地震作用下框架内力结论：框架中、边、角柱轴压比控制应有所不同，以利于中、大震发生时，框架柱尤其边角柱不致发生压屈脆性破坏。建议：现行规范框架中、边、角柱轴压比控制宜参照1984年高层建筑结构学组高层建筑结构设计建议，区别对待，适当调整。中柱适当放松，边柱不变，角柱适当从严，如表2所示。表2 调整后的框架柱轴压比限值 结构类型抗震等级一二三中边角中边角中边角框架0.80.70.60.90.80.70.950.90.8框架剪力墙0.850.750.650.950.850.750.950.950.95框支剪力墙0.70.60.50.80.70.60.90

6、.80.7三、框支框架倾覆弯矩控制 背景之一：现行规范规定框剪结构需控制框架结构承受倾覆弯矩50%整体结构倾覆弯矩，确保框剪结构中具有足够数量剪力墙，提高结构抗震能力。背景之二：现行规范规定带转换层复杂高层建筑结构需控制层刚度变化、落地墙、结构布置、抗震等级、内力调整、截面承载力等，尚未提及框支框架结构承受倾覆弯矩的控制。背景之三:美国、日本、台湾震害表明，带转换层结构主要破坏形态为大震作用下筒体剪力墙连梁开裂后，框支柱承受轴力过大，压屈或拉断破坏。建议:对带转换层高层建筑结构，增加地震作用下框支柱轴力水平量化控制控制框支框架结构承受倾覆弯矩50%整体结构倾覆弯矩。效果：有利于落地墙、筒体加强

7、，有利于减轻框支柱受力，提高结构抗震、抗倒塌能力。工程实例：武汉金色华府（30层商住楼）图3 原底部楼层结构平面 图4 调整后底部楼层结构平面调整前后结构布置如图3、4所示，其计算结果如下：框支柱承担倾覆弯矩：由60% 降到 45%，结构扭转周期/平动周期：由0.88 降到 0.8，结构扭转变形：由1.3降到1.2。四、地基基础设计现行规范地基基础设计原则： （6） （7）式中 修正后的地基承载力特征值 地基抗震承载力调整系数 标准组合下基础底面平均压应力 标准组合下基础底面边缘的最大压应力 地基基础设计控制要素及探讨： 第一位控制要素是：控制长期重力荷载作用下地基基础的变形及其差异变形；第二

8、位控制要素是：满足重力荷载及水平荷载组合作用下地基基础承载力要求。地基基础设计第一位控制要素是控制在长期重力荷载作用下地基基础变形及其差异变形，第二位控制要素是满足地基基础承载力要求。 对于长期作用的重力荷载效应，适当降低取用地基（桩基）承载力特征值，有利于减小地基变形及其差异变形，提高结构安全度。对于风、地震作用与重力荷载组合效应，由于风、地震作用标准值取值来自于50年（或100年）一遇的峰值加速度平均值，其发生几率较低，且为短时间动力荷载，对地基变形影响很小，因此，可适当提高取用地基（桩基）承载力特征值。地基（桩基）承载力特征值较其极限承载力有2倍以上安全系数。提高1.2，仍有2/1.2=

9、1.7倍安全系数，边缘点提高1.2x1.2，仍有2/1.44=1.4倍安全系数，地基（桩基）是不会失效破坏的。这样针对不同效应组合，采用不同的地基（桩基）承载力特征值进行地基基础设计，可以达到以下3个目标：1 建筑物中柱或中央筒体的轴力，主要由重力荷载效应控制，风、地震作用产生的效应较小，重力荷载效应下地基承载力特征值取低，有助于增大强化此中央区基础面积或桩数、桩径；与此同时，建筑物边柱、角柱的轴力，风、地震作用产生的效应较大，水平荷载组合效应下地基承载力特征值取高，可相对减小弱化边、角柱基础面积或桩数、桩径。2重力荷载效应下地基承载力特征值取低，有助于增强中央区，减少地基基础最大沉降；水平荷

10、载组合效应下地基承载力特征值取高，有助于弱化边缘区，减缓地基基础盆式沉降斜率。从而总体达到改善结构工作性能，提高结构安全度的效果。3 比较经济合理。高层建筑地基基础设计框图建议修改如下：计算重力荷载效应：配置基础：重力荷载效应分项系数1.35，0.91.2/1.35计算重力荷载效应+水平荷载效应复核基础： 工程实例：深圳百士达红树西岸（32层住宅）图5 按本建议设计标准单元桩基平面图（括号内数字为直接按最大组合轴力设计桩径）计算结果：边桩直径约减少100200mm；中桩直径基本不变；桩基费用下降7%。五、结语上述高层建筑结构抗震设计若干重要问题探讨修改意见，已于2004年重庆第十八届全国高层建筑结构技术交流会上报告，并收入2006年中国建筑学会第五届建筑结构分会学术交流会议论文集，且已应用于若干高层建筑工程，取得了良好效果。现正值规范启动修订之际，发表此文，供参考。参考文献1 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）.北京：中国建筑工业出版社.20022 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）.北京：中国建筑工业出版社.20013 建筑地