建筑抗震设计

1、我国高层建筑抗震设计问题探究1、我国高层建筑的发展如果说70年代是我国高层建筑设计与施工的学习与练兵阶段，那么80年代则是我国高层建筑在设计、计算及施工技术各方面迅速发展的阶段，各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋混凝土为主的建筑。进入90年代，我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段，不仅结构体系及建筑材料出现多样化，而且在高度上上长幅度很大，有一个飞跃。目前对于我国的58座最高建筑结构的分析研究，笔者发现以下规律。1 150m以上的高层建筑绝大部分集中在沿海经济发达地区，以上海最为集中，全部建在抗震设防地区，为抗震结构。2从建筑材料看，在超高层建筑中，钢筋混凝土

2、结构占64，而在前30幢中，钢筋混凝土结构只占50；高度增加以后，混合结构的比例上升，由26升为40，而钢结构占的比例未变，仅为10。可以说，目前我国最高的一些建筑，钢与混凝土组成的混合结构占了重要地位，其它如钢骨混凝土结构及钢管混凝土结构则很少。3从结构体系看，超高层建筑主要采用了三种体系：框架一筒体体系、筒中筒体系和框架一支撑体系。框架一支撑体系都是钢结构。筒中筒体系中，除一幢是钢结构，一幢为混合结构外，其它都是钢筋混凝土结构。在框架一筒体体系中，则以外框架一核心简体系为主，其中又以外钢框架一混凝土核心筒结构占了很大比例，特别是在前30幢建筑中，17幢框架一筒体都是外框架一核心筒结构，其中

3、有11幢采用外钢与内混凝土组合的混合结构；在我国前58幢建筑中，有35幢建筑为框架一筒体结构，其中，外钢框架一混凝土核心筒结构占了14幢。4从国内外设计(指结构设计)比例看，前30幢建筑，国内设计占23；前58幢建筑，国内设计达34从施工看，除少数是国外公司总承包外，进入90年代以后，绝大部分是由国内建筑公司承包了。从以上的简要回顾可见，我国的高层建筑发展快、数量多，特别是全部150m以上的建筑都在7度、8度抗震设防地区。面对如此的挑战，如何精心设计、精心施工，不断提高高层建筑的抗震设计水平，是一个迫切需要引起广泛注意、加强研究的艰巨任务，它需要广大设计、施工、管理人员的共同努力。我国在建筑抗

4、震设计方面已经积累了很多经验，现行国家规范建筑抗震设计规范及行业规程钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程与78规范及79规程相比，有了很大的进步。现行规范和规程的抗震设计方法已经为广大工程技术人员所掌握。但是，随着我国高层建筑的发展，国家经济实力的提高，个人财产的增多，我国高层建筑结构抗震设计有许多新的问题需要研究解决。本文仅就其中几个问题提出一些看法。2材料与体系我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系，都是其它国家高层建筑采用的主要体系。但国外、特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考

5、验。在前30幢建筑中，17幢外框架核心筒结构中的1l幢采用外钢框架和混凝土核心筒的混合结构，大部分建在上海，最高的是深圳地王大厦。国外很少采用这种混合结构，在抗震结构中更少见；国内工程界对这种体系的看法不一，争论较大。采用这种体系的主要原因是比钢结构的用钢量少，又可减小柱子断面，常常为业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80以上的地震层剪力，有的高达90以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准(或适当放宽)n1；由于内筒的高宽比很大(约为1012)，其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，

6、有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构、形成加强层才能满足规范侧移限值；为了安全起见，规程要求框架承担剪力不小于底部剪力的25，这也会使钢材的用量加大；混凝土筒的轴向压力随高度增大而增大，为保证其延性，可能要加大筒壁的厚度和配筋，因而用钢量也会相对上升。此外，由于钢筋混凝土内筒与钢柱的竖向变形性能不同，由徐变、温度等因素会引起结构附加内力；在构造上，有一些结构为了增加结构刚度而将楼板钢粱与混凝土内筒做成刚接，这不仅增加施工困难，而且钢与混凝土的连接节点可靠性较差，要保证两个加工精度相差悬殊的构件按设计要求连接是不容易的，一般并不能保证刚接。采用混凝土核心筒，可以节省一些钢材，但是究竟能节省

7、多少，还要做进一步分析。而我国当前的国情，已经不是结构材料越省越好的年代。对混合结构的抗震性能以及为改善其性能需要采取的措施要有充分认识。例如，高度为3040层的结构，其内筒与外框侧向变形性能的差别和竖向变形差相对容易协调，为保证内筒剪力墙的塑性变形能力的轴压比限值也较容易得到满足(或剪力墙不至太厚)，采用这种体系有其合理性；而对层数更多的高层建筑，则需要谨慎的设计，其合理性及所采取的措施都需要认真论证。此外，这种体系的内筒宜采用钢骨混凝土剪力墙，以便使钢梁与钢骨有可靠连接。在高层建筑中采用外框架一核心筒体系时，为减小侧移，通常需要设置伸臂结构，形成加强层。在结构体系或柱距变化时，需要设置结构

8、转换层。加强层及转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此，在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择加强层及转换层的结构形式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。斜撑桁架或简单的斜撑杆(要注意平衡其拉压力)优于实腹梁，在抗震结构中采用厚板作转换层对抗震是十分不利的。我国的筒中筒体系主要采用钢筋混凝土结构，这在国外地震区是很少见到的。密柱深梁的钢筋混凝土框筒实现梁铰屈服机制有一定困难。因此，当采用钢筋混凝土筒中筒结构时，必须充分注意框筒是否能真正实现梁铰机制，是否能确保框筒的延性要求

9、。顺便指出，为了方便设计，规范或规程中给出的强柱弱梁、强剪弱弯以及剪压比等设计条件有某种程度的简化，需要结构工程师对不同情况作出具体分析和判断。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨(钢管)混凝土，通常做为首选。日本阪神地震震害说明，在钢骨混凝土构件中，采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢的

10、，则震害轻微。因此，在高层建筑结构中，若用钢骨混凝土构件，建议采用后者。 3构件变形能力与轴压比 在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的断面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋，即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。这是广大设计人员在设计混凝土材料为主的结构中遇到的现实问题。 柱的轴压比问题实际是柱的塑性变形能力问题，构件的变形能力会极大地影响结构的延性。众所周知，若柱处于小偏压受力状态，由于是混凝土压碎丧失承载能力，塑性变形能力很小。规范规定的三级抗震框架柱的轴压比限值(09)，约为对称配筋柱的大小偏压的界限。放宽轴压比限值的代价是降低柱的延性。但是有两种情况值得澄清

11、：(1)在框架中若能保证强柱弱梁设计，且梁具有良好延性，则柱子进入屈服的可能性大大减少，此时可以放松轴压比限值；(2)许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4，但并不一定是短柱，因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比MVh、<2的柱才是短柱，长细比小于4的柱其剪跨比不一定小于2。此外，即使能调整轴压比限值，其增大也是很有限的，也就是说，钢筋混凝土柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此，在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土柱是否合理值得商榷。 在抗震的超高层建筑中，采用钢骨混凝土结构是有利的，它不仅能减小柱断面，减小剪力墙厚度，还可以使结构具有良好的抗震能力。国内已有许多

12、研究和工程实践，并已制定了我国自己的钢骨混凝土结构设计规程，预期部分采用钢骨混凝土结构的高层建筑会逐步增多。采用钢管混凝土柱也是减小柱断面的有效措施，也已有一些工程实践及有关设计规程，但钢筋混凝土梁与钢管柱的连接节点构造及其传力性能，还有待进一步的研究和发展。 4弹塑性时程分析与弹塑性静力分析在罕遇地震作用下，抗震结构都会部分进入塑性状态，为了满足大震作用下结构的功能要求，有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。当前国内外抗震设计的发展趋势，是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计，结构弹塑性分析将成为抗震设计的一个必要的组成部分。但是由于结构弹塑性分析的复杂性，在如何

13、进行计算和如何设定具体要求的问题上，各国的做法也有所不同。我国现行抗震设计规范提出了验算罕遇地震作用下结构变形的要求，即所谓的二阶段设计，但是规范要求进行验算的结构类型较少。当前，进一步明确弹塑性计算的要求，作出一些具体规定，使弹塑性计算成为可操作，对于提高我国高层建筑的抗震设计水平是十分必要的。结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析(时程分析)和弹塑性静力分析(推力计算)两大类。弹塑性动力分析，也就是弹塑性地震反应分析，始于50年代。在多地震的日本，高层建筑的发展与弹塑性地震反应分析是分不开的，武滕清教授在这方面的贡献不可磨灭。近年来，美国和欧洲的一些多地震国家，弹塑性时程分析也已提上抗震设计日

14、程；70年代以来，我国广大研究和设计人员进行了大量工作，已经开发出一些可以应用于工程设计的程序。包括弹塑性静力分析，层模型动力分析，杆模型平面结构动力分析等。弹塑性时程分析是输入地震波、直接计算结构的地震反应的分析方法，采用杆模型、层模型等简化的结构的计算模型。由于考虑了结构构件的弹塑性性能，结构的刚度不断变化，通过逐步积分，可以得到结构各质点的位移、速度和加速度时程。杆模型计算的优点是可以得到杆件状态随时间的变化过程，也可得到各楼层的反应。但是耗时多，计算昂贵，结果数据量大而且分析比较繁冗，在国外也极少采用。在日本，日常设计主要采用层模型作多条波分析，只是在某些必要情况下，再挑选出合适的地震

15、波进行杆模型地震反应计算。层模型计算能得到各楼层的反应，例如层剪力、楼层侧移和层间转角、层间位移延性比等，它主要是从宏观上即层间变形检验结构在大震作用的安全。层模型计算的数据相对较少，适宜于进行宏观检验，也便于计算多条地震波作用。弹塑性静力分析采用空间协同平面结构模型或三维空间模型；每个构件(梁、柱、墙)都根据其截面尺寸、配筋及材料确定其弹塑性力一变形关系；在结构上施加某种分布的楼层水平荷载，逐级增大；随着荷载逐步增大，某些杆端屈服，出现塑性铰，直至塑性铰足够多或层问位移角足够大，计算结束。由弹塑性静力分析，可以了解结构中每个构件的内力和承载力的关系以及各构件承载力之间的相互关系，检查是否符合

16、强柱弱梁(或强剪弱弯)，并可发现设计的薄弱部位，还可得到不同受力阶段的侧移变形，给出底部剪力顶点侧移关系曲线以及层剪力一层问变形关系曲线等等。后者即可作为各楼层的层剪力一层间位移骨架线，它是进行层模型弹塑性时程分析所必需的参数。只要结构一定(尺寸、配筋、材料)，其结果不受地震波的影响，而与初始楼层水平荷载的分布有关。这种方法在现阶段比较现实，也易于为工程设计人员所掌握。这种方法可以从细观上(构件内力与变形)和宏观上(结构承载力和变形)了解结构弹塑性性能，既可得到有用的静力分析结果，又可很方便地进行动力时程分析。从计算模型上看，弹性分析的计算模型经历了一个漫长的发展过程，才由简化的平面结构发展到

17、空间协同、由空间协同再发展到空间分析，逐步接近实际，目前有些程序还可以将楼板变形引入计算，但应用尚少。而弹塑性分析比弹性分析要复杂得多，也必然有一个发展的过程。尽管层模型与三维空间模型相比，简化较多，也不宜用层模型计算复杂的结构，但是正如弹性分析中平面结构在历史上曾经采用了多年、起到了很积极的作用一样，弹塑性静力计算及简化模型的动力计算在现阶段是可以做到、而且在定量分析上是有积极意义的，在应用过程中也会逐步完善；就是现在，采用空问协同或空间模型进行弹塑性静力分析已经没有困难。总而言之，弹塑性静力分析，或与弹塑性动力分析相结合、互为补充的分析方法，在现阶段是可行的。它只有在工程实践中，随着广大工

18、程人员的普遍应用和研究人员的不断努力，才能逐渐成为抗震设计的一种必要手段。5基于位移的结构抗震设计我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计。即：用线弹性方法计算结构在小震作用下的内力、位移；用组合的内力验算构件截面，使结构具有一定的承载力；位移限值主要是使用阶段的要求，也是为了保护非结构构件；结构的延性和耗能能力是通过构造措施获得的。虽然，构造措施是为了使结构在大震中免遭倒塌，但设计人并不掌握结构在大震中的实际性能。 90年代中，美国学者提出了基于位移的抗震设计(DisplacementBased Design，简称DBD)，这是一种全新概念的结构抗震设计方法。DBD是实现基于功能的抗震

19、设计(PerformanceBased Design，简称PBD)的重要步骤。它比现行抗震设计方法中强调的概念设计更进了一步，它要求有量化的设计指标。 历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构构件能承受的塑性变形能力。基于位移的抗震设计要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。预期的地震作用一般是指大震。因此除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层问位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。 确定结构在大震作用下的层间位移角限值，是DBD的重要内容，实质就

20、是确定允许的结构震害程度或确定地震后结构能保持的使用功能目标。不同的震害程度或功能目标，可以作出不同的设计结果。若期望大震后建筑结构能立即使用或略加修理就能使用，位移角限值要严一些，相应的构件尺寸或构件配筋会大一些；若允许结构在大震中破损，位移角限值可放松，则设计结果会与前者不同。我国现行规范规定钢筋混凝土框架结构在大震作用下的层问位移角限值为150，这时，柱已经难免出铰，结构破坏严重，丧失了继续使用的功能，仅能维持不倒塌。 钢筋混凝土结构能达到的层间位移角能力以及层间位移角与结构破坏程度的关系，与构件塑性铰区截面的变形能力有关；截面的曲率延性，即弯曲变形能力，主要取决于相对受压区的高度(由轴压比、配筋等决定)以及混凝土的极限压应变；混凝土能达