复杂高层建筑结构抗震设计概念

1、Word文档 复杂高层建筑结构抗震设计概念 简单高层是抗震设计概念重点内容，可以把以前浅谈概念的内容进行综合运用。 我们在思索和解决一个简单问题时，一般应当分宏观和微观两个层面，假如细分可以再加上中观一个层面。对简单高层概念的理解和设计更应当分两个或三个层面去思索和处理。 下面对规范规定的简单高层结构（转换层、错层、加强层、立面收进或悬挑等、大底盘的单塔和多塔结构）的浅谈也是从这几个层面来说的。 一：地下建筑结构的抗震概念 讲简单结构为什么先说地下结构呢？这是由于地上建筑定义的一些简单建筑结构假如是放在地下，那就不能算是简单结构了。比如位于地下的转换、错层，高层建筑的连片的地下车库等。规范并没

2、有明说，所以造成许多人把位于地下的上述结构也按地上同等对待，概念是错误的，有些资料对这点已经进行了明确。 地下结构地震作用的受力的概念和地上有什么根本的不同呢？ 地下结构是四周围土的，对于纯地下建筑来说，相当于埋入地下的一个混凝土箱体。对于高层建筑的地下室来说，可以认为是四四周土的结构，受地震下的围土作用和地上结构的垂直及水平地震的作用。 我们先考虑纯地下的埋入土中的结构的受力，来分析地下结构地震力与地上结构地震力的不同。 抗震浅谈（十）说过，场地土的地震惊加速度在也许地下室埋深约20米的范围内，距离地面越近地震惊加速度越大,为了简化概念，我们先假设围土的加速度是相同的，见下图（图中下部是地上

3、结构的对比图）: 具有一个地震加速度的土体将对地下建筑的外围结构产生水平地震惊方向的土压力（大于静土压力），通过结构构件的材料的压力传递，整个结构将产生相同的一个加速度并且结构的各部分的之间的位移可以理解为相等的，或基本相等。这样的加速度将会使结构材料之间产生内力（压力），类似于结构受到地球的重力作用产生的压力，但由于楼层（竖向构件两端之间）没有位移差，构件不会产生上部建筑竖向构件那样在水平力作用下的剪力、弯矩、扭矩等内力。 因地震下围土压力结构产生的加速度大致和和土体本身的加速度相同，一个9度地震烈度的地面加速度约为0.4g,结构楼板受到的水平压力约为重量的40%，这个压力对结构混凝土的承载

4、力来说几乎可以忽视不计。 这就是为什么纯地下建筑结构理论可以不考虑抗震的缘由。 但抗震规范规定的纯地下建筑的抗震又是如何理解呢？ （1）浅谈十说过，场地土随着深度地震加速度会越来越大，也就是说，围土的压力离地面越近地震下产生的作用力越大，故抗规14.2.3第2条说：地震作用的取值，应随地面深度比地面相应削减，基岩处的地震加速度可其地面的一半，中间部位可以插值计算。 围土随深度的地震加速度的不同的围土压力（和四周相同静土压力是不一样的）在不同楼层之间的压力差造成侧向构件层间位移形成的内力，和地上虽然类似，但机理是大不相同的，前者是地震下不同土压力，和结构质量及结构刚度无关，而后者是地震下的结构质

5、量的反应造成的，和结构自身质量和刚度有关，这个有本质的区分。 明显前者造成的楼层之间的错动力一般要远远小于后者的地震下结构自身的反应的作用力。所以地下结构的地震效应（假如可以叫效应的话）数值上要远远小于上部结构，这是地下结构降低抗震要求的缘由。 （2）浅谈十也谈过超长结构的多点激励问题。对于地下铁路、隧道等很长的结构，不同的水平位置受到的地震波的大小或着时间的相位是不同的，会产生水平方向的错动力，这个不属于我们建筑结构设计的范围，概念上理解即可。 （3）实际上地震时地下结构受到的力还是特别简单的，某个断面上的受力示意如下图： （4）抗规给出的土层-结构时程分析法（SSI soil-struct

6、ure interaction)等效水平加速度法平面应变分析模型等等，也许就是上述概念的详细的计算方法。但这计算究竟精确度如何就很难讲了，我觉的和上部结构的地震作用的计算相比，其结构更是不行信的多。 实际的一般的民用建筑用这种方法计算的很少，那些重点地下工程地震的简单的计算一般结构工程师遇不到，不必深究，但不阻碍我们从概念上应当理解其原理。 （5）民用建筑的地下结构或地上建筑的地下部分设计应当按规范的抗震等级和构造的要求进行设计。假如保守一点可以加大约20%地下墙的静止土压力当成外荷载进行计算。 对于位于地下的转换、错层、大底盘等结构不能当做简单结构考虑就是自然的了。 二：转换层简单结构 高规

7、附录E给出了转换层上下层刚度比的详细要求和计算公式，这个是针对宏观层面的刚度要求来说的。当然上下层的刚心的尽量重合也是宏观的要求。 转换层上下的竖向转换构件的应当轴线上尽量全都，否侧上部构件的水平力要通过楼板进行转换传递，还有比如剪力墙的转换次梁难以承受剪力墙的倾覆力矩造成的巨大的轴向力，宏观上简单程度多了一个量级。 转换层结构的层间位移、位移比、扭转、薄弱层脆弱层的计算是宏观指标的掌握。首先这些宏观的指标要满意规范的要求，对宜满意的状况也要尽量满意，否则从构件层面去补救将付出更大的代价。 楼层越高，地震反应越大（位移、扭转等），所以高位转换对整体抗震是不利的，这也是个宏观概念。规范的规定是不

8、宜，虽然可以通过精细设计补救，但代价是很大的，所以非必要尽量避开。 结构的转换层部位是应力比较简单的部位，宏观指标难以表现出微观的构件层面的受力状况，所以需要对构件进行更具体的分析，用于构件的配筋是必要的。应力简单的部位难以算的清晰，微观上提高构件的抗震等级加大其承载力量是很有必要的，高规对此做了许多规定，许多构造规定也比一般的结构严格许多也是这个道理。 框支梁包含梁、及梁上部肯定范围的剪力墙的共同形成的，所以设计时不能破坏这种共同作用的完整性，规范因此做了许多详细的规定。 三：错层结构 楼板的错层会使一排或几排柱子与其它柱子长度不同，极易形成短柱，或同层柱子的刚度差别巨大，对抗震及其不利。

9、这种不利对于纯框架结构几乎不能采纳详细的设计方法进行弥补，所以地震区的框架结构即使多层结构几乎也不能采纳。高规第十章10.1.3条规定了框剪结构、剪力墙结构的相宜的高度，根本就没提到框架结构，我理解是高层框架结构不能采纳错层结构。不要把规范用修辞学的思维来分析，没有规定就是没限制，与规范的本意就背道而驰了。 框剪结构和剪力墙结构，地震力主要由剪力墙承受相对于框架来说要好许多。但规范还是对框剪结构的框架柱和剪力墙的设计进行了很严格的规定。 对于剪力墙的错层结构一般都是住宅，对于烈度不高层数不高的住宅的错层结构的抗震应当问题不大，但其性能确定大大低于同样的平层结构。 四：带加强层的高层结构 框架核

10、心筒的伸臂、腰桁架和帽桁架、环向桁架、都属于加强层。但作用有所不同，当然有的会同时兼顾几种功能。 伸臂桁架横跨外部的框架和内部的核心筒，通过其巨大的刚度，使二者共同作用，加大外框架的整体抗倾覆作用，浅谈（十三）已有详述。 腰桁架和帽桁架也是和伸臂同样的设置，目的是削减内筒和外柱的竖向变形差。和伸臂桁架形式一样，所以就兼有两种功能作用。 环向桁架相当于在结构外围加了一圈箍，可以提高外围柱的整体性、削减剪力滞后的不利影响、削减柱之间的竖向变形差。 实际上三种构件都是统一起来使用，三种作用都能体现出来。 从宏观上，上述加强层的设计肯定可以提高结构的整体性能，改善结构侧向位移等宏观指标，只是性价比是否

11、好。比如在筒中筒结构中设置加强层就没有框筒结构的效果好。 中观上看，加强层相对于上下楼层刚度太强了，简单使下部楼层产生薄弱层。 微观上，加强层的巨大的桁架结构与上下楼层的竖向构件连接处、与内筒剪力墙的连接处就是应力集中的部位，需要采纳许多措施进行加强，高规要求的伸臂桁架的构件贯穿内筒，10.3.3的强条规定的柱子钢筋加大，增加抗震等级、增加内力调整系数等详细条款的道理就在这里。 五：连体结构 两个单独的结构，可以自由振动互不影响，但用一个连廊连接起来，状况一下子变的简单起来。 连体结构中连接体和主体是采纳刚性连接还是采纳滑动连接是一个关键的且有时是难以选择的问题。 假如采纳滑动连接，连接体仅仅

12、增加了主体连接处的质量，对主体的振动形式影响较小，但两个主体在大震下的位移差很大时，很难保证连接体的坠落、与主体的撞击等问题，所以滑动支座的连接体只能用在底部的楼层，上部结构楼层一般是不允许采纳的。 刚性连接连接体会使两个主体的振动形态特别简单，所以要首先满意宏观上的各种指标如层间位移、位移比、扭转、周期比等，有连接体的结构扭转效应会大幅度加大，需要调整连接一侧的构件刚度和强度，采纳弹性和弹塑性时程分析计算补充计算是很有必要的 中观上，连接体本身的受力很简单，如有可能采纳钢结构比较好，避开简单应力下的脆性破坏。 微观上连接体与主体相连的部位的应力集中明显，需要实行详细的措施来加强，比如连接体钢

13、构件深化主体一跨（与加强层桁架穿越内筒剪力墙是一个道理），高规10.5.6的强条的详细规定就是要满意微观层面的构件的设计要求。 六：大底盘多塔结构、竖向体型收进、悬挑结构等 对于大底盘结构，高规10.6.3第1条规定，各塔楼的层数、平面和刚度宜对称布置；上部塔楼的综合质心与底盘结构质心的距离不应大于底盘边长的20%。 上部塔楼彼此之间并无联系，规定各塔楼结构相类似很难做到，也无必要。塔楼的质心与大底盘的平面位置关系主要是建筑功能确定的，规定20% 意义不大。 下部大底盘由于刚度很大，假如设计得当会削减上部结构的地震反应，但排列无规律的上部塔楼对裙房的不利影响确定很大，尤其增加裙房的扭转的不规章

14、，需要通过裙房的抗侧力构件的合理布置来解决。 对于框架结构的大底盘裙房来说，大底盘整体的作用的有利或不利的影向难以推断，所以规范规定应当进行单塔楼和整体的包络设计。 从微观层面看，与裙房相连的楼层及构件肯定是应力简单的部位，需要进行构造和计算内力增大系数、抗震等级等的加强，规范对此进行了详细规定。 悬挑结构的最大的问题是在抗侧刚度基本没变化的状况下，上部楼层的质量急剧增大，并且质心严峻偏离。造成结构地震力的加大和扭转大幅度增加。应当从构件的合理布置上去解决。体型收进结构是结构的抗侧力刚度和质量同时变小，假如是对称收进，一般状况下问题不大，验算是否消失薄弱层即可。但对于单侧收进，意味着上下楼层的

15、质心不重合，会造成下部楼层的扭转，需要从抗侧力构件的布置上去解决，当然削减上部结构的质量是明显的道理。 悬挑结构受到的垂直地震的影响不能忽视，需要按规范的要求进行验算。 微观层面是变化部位的楼层构件的应力集中，需要从构造措施、内力增大系数、抗震等级几个方面去加强。 上述的几种简单结构都可以从宏观、中观、微观三个层面去理解规范的规定，性质差不多。 七：混合结构设计 混合结构不是规范规定的简单结构，但和高层混凝土结构有许多不同之处，本文也简洁谈谈。 一个建筑结构依据状况在不同楼层或不同构件分别采纳混凝土构件、钢构件或钢与混凝土组合构件，本身就是先进的设计理念。 楼板及楼板次梁的组合构件由于对结构的抗震性能影响不大，不谈。 混合结构比如地下采纳混凝土结构，地上采纳钢结构；下面楼层采纳混凝土结构，顶层采纳抽掉中间柱的大空间的轻钢结构；个别重载柱和梁采纳劲性混凝土构件，都是值得提倡的结构形式。 规范往往对这些没有详细的规定，需要设计师自己从宏观的力学整体分析、中观的构件受力和微观的构造上三个层面去把握设计，不能说规范没有这种结构形式就认为不能做。 高层混合结构规范只规定了框筒结构和筒中筒结构，是由于这两种结构形式显而易见是利用了钢与混凝土各自的优势组合起来并已有大量成熟案例，其相宜建筑的高度高于同类型的混凝土结构形式。 宏观上混合结构和混凝土结构的计算并无大的不同