高层建筑结构第六讲

震害经验表明，如果结构中存在薄弱层或薄弱部位，在强烈地震作用下，由于结构的薄弱部位产生较大的弹塑性变形，将导致结构构件严重破坏甚至引起房屋倒塌。弹塑性变形验算是第二阶段抗震设计的内容，以实现“大震不倒”的设防目标。但是，确切地找出结构的薄弱层（部位）以及薄弱层（部位）的弹塑性变形，目前还有许多困难。研究和震害表明，即便是规则的结构，也是某些部位率先屈服并发展塑性变形，而非各部位同时进入屈服；对于体型复杂的刚度和承载力分布不均匀的不规则结构，弹塑性反应过程更为复杂。

3.5罕遇地震作用下薄弱层的变形验算

因此，要求对每一栋高层建筑都进行弹塑性分析是不现实的，也没有必要。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002/J186—2002仅对有特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构和有明显薄弱层的不规则结构作了两阶段设计要求，即除了第一阶段的弹性承载力设计外，还要进行薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的抗震设防要求。需要进行罕遇地震作用下的变形计算的情况：1.7～9度设防的、楼层屈服强度系数ξy

小于0.5的框架；屈服强度系数2.甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；3.采用隔振和消能减震技术的建筑结构；4.8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的单层钢筋砼柱厂房的横向排架；5.高度大于150m的钢结构。宜进行弹塑性变形验算：1.采用时程分析的房屋和竖向不规则类型的高层建筑结构；2.7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑中的钢筋砼结构和钢结构；3.板柱－抗震墙结构和底部框架砖房；4.高度不大于150m的高层钢结构。罕遇地震作用下，大多数结构都已进入弹塑性状态，变形加大，主要要验算结构层间变形是否超过限制，计算方法有如下两种：1．反应谱方法：采用底部剪力法或者振型分解法来计算弹塑性层间变形。适用范围：不超过12层，且沿高度刚度无突变的框架结构。计算方法：采用书中表2－5中给出的罕遇地震作用下的αmax

值，用底部剪力法或者振型分解法求出结构楼层层剪力。首先找出框架结构的薄弱层，再对薄弱层的层间变形进行验算。薄弱层为底层或者是屈服强度最小或相对较小的楼层。然后计算薄弱层的层间弹塑性位移：其中：

——在罕遇地震的等效地震荷载下，由弹性计算得到的层间位移；

——弹塑性位移增大系数，当薄弱层的屈服强度系数不小于相邻层该系数的0.8时，按表3.8取值；当不大于相邻层该系数的0.5时，按表3.8中数值的1.5倍取值，在0.5～0.8之间时，可用插入法求出

。最后验算是否满足限制的要求，式中h——薄弱层层高；[θp]——层间弹塑性位移角限值，对框架结构，当轴比小于0.40时，可提高10%；当柱子全高的箍筋构造比柱端加密区的最小含箍特征值大30%时，可提高20%，但累计不超过25%.2.弹塑性时程分析方法高层建筑结构的设计步骤

（1）选择合理的结构形式（框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、框架一筒体结构），主要是根据建筑功能的要求（比如大空间的平面布置，可选择框架、框筒结构），抗震性能（地震区，宜选用周期较长的结构形式以减少地震作用，而在强风区，过长的自振周期会对结构的抗风产生不利影响）以及经济性。（2）确定所选结构上各类构件的截面尺寸和数量（如框架梁、柱截面尺寸，框一剪结构中剪力墙的片数，筒体的壁厚等）。在选定高层建筑结构形式之后，初选构件截面尺寸和构件数量的正确与否，将会直接影响到结构的计算工作量。

3.7结构设计要点（3）确定结构上各类计算荷载的数值（竖向荷载和水平荷载）。根据我国高层建筑的现状，在方案估算阶段，可按经验估算确定结构的单位面积重力荷载：框架结构：12～14kN/m2；框—剪结构：14～16kN/m2；剪力墙、筒体：15～18kN/m2。（4）对所选结构进行内力分析和变形计算。（5）对结构构件进行截面设计（各种强度或变形的验算）。（6）建筑物地面以下的基础选择和设计。（7）绘制结构施工图。3.7.1结构设计方案的选取3.7.2结构计算1.计算模型的采用；2.荷载取值；3.计算软件的选取；4.特殊构件的计算；5.协同工作性能3.7.3抗震措施

1.抗震等级的划分

不同类型的结构对地震的反应各不相同。为了体现在同样烈度下不同的结构体系、不同的高度和不同场地有不同的抗震要求，根据抗震设防“三水准”的目标要求，抗震设计的钢筋混凝土高层建筑结构，应根据设防烈度、结构类型、房屋高度和场地类别区分为不同的抗震等级，采用相应的计算和构造措施，即便在出现较严重损坏的情况下仍能保持有一个稳定的体系。抗震等级实际上是结构对延性和耗能的要求，体现了对结构抗震性能要求的严格程度。地震烈度愈高，结构变形愈大，对结构的延性要求就愈严格，所以，结构的设防烈度越高，抗震等级也越高。房屋根据其使用功能的重要性，高度增大，结构变形增大，对延性要求及抗震等级也要相应提高。决定抗震构造措施等级时应考虑的烈度2.多道抗震设防两个方面意义：一是指一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件将各分体系联系起来协同工作；二是指抗震结构体系应有最大可能的内部、外部赘于度，有意识地建立起一系列的屈服区，以使结构能吸收和消耗大部分的地震能量，一旦遭受破坏也易于修复。框架－剪力墙结构：剪力墙为第一道防线；框架－筒体结构：筒体为第一道防线；筒中筒结构：内实腹筒为第一道防线。3.7.4延性

在中等地震烈度下，允许结构的某些部位进入屈服状态，形成塑性铰，此时结构进入弹塑性阶段，结构变形加大。但在这个阶段，结构可以通过塑性变形耗散地震能量，但是必须保证结构的承载能力，结构不能破坏，这种性能被称为延性。延性越好，抗震能力越强。延性系数：结构最大变形与屈服变形的比值。四强四弱设计原则：强柱弱梁——控制塑性铰的位置强剪弱弯——控制构件的破坏形态强节弱杆——保证节点区承载力强压弱拉——使构件产生延性破坏3.7.5、基础埋置深度及基础形式

高层建筑的基础结构与地基必须能提供较大的竖向和水平向承载力。高层建筑的重量随层数增加而增加，因此基础的竖向荷载大而集中。与此同时，风荷载和地震作用引起的倾覆力矩随高度而成倍增长。因此，高层建筑要求基础结构和地基必须具有相应的强度和刚度，以保证建筑物具有足够的稳定性，并使其沉降和倾斜控制在允许范围内。高层建筑为了满足其稳定性和利用地下空间的要求，基础结构的埋置深度常很大，因而带来了十分复杂的基坑工程问题。一、高层建筑基础设计特点高层建筑由于体型高耸、荷载工况复杂，使得基础结构的设计原则和设计方法都较一般单层和多层建筑不同，设计中不可回避地需要考虑下述因素：1．竖向荷载和水平荷载的同时作用高层建筑基础不仅承受大而集中的竖向荷载，而且风荷载和地震作用引起的倾覆力矩也成倍增长，因此要求基础和地基能够提供更高的竖直与水平承载力。2．上部结构和地基基础的共同作用高层建筑上部结构具有较大的刚度，并与基础和地基同处于一个完整体系之中，地基基础的工作性状对上部结构稳定性有明显的影响，上部结构刚度对地基基础承载性能也有一定的贡献。3．对地基非均匀沉降的敏感高层建筑由于竖向高度较高，重心也较高，基础平面面积相对较小，地基非均匀沉降导致其重心偏移而造成倾斜的危害较多层建筑明显。在基础设计时，应保证沉降和倾斜控制在允许的范围内。4．环境效应高层建筑基础工程施工的环境效应是一个非常突出的问题。为了满足建筑功能和稳定性要求，高层建筑基础结构一般具有较大的埋置深度。因此，经济合理的基坑支护结构和各种严密的防护措施也是高层建筑基础设计中应予重视的问题。二、基础类型1．十字交叉条形基础1）基础形式在柱网下纵横两向设置钢筋混凝土条形基础，形成如图所示的十字交叉条形基础。2）适用范围通常在下列情况下宜采用十字交叉条形基础：（1）上部结构传来的荷载不是太大、柱网较为均匀、柱距较小且各柱荷载差异较小时；（2）地基土质均匀、地基土承载力很高且压缩性较小时；（3）建筑物无地下室要求时。2．筏板基础1）基础形式若上部结构传来的荷载很大，上述十字交叉条形基础不能提供足够的底面积时，可将条形基础的底面扩大为整板基础，简称筏板基础。

通常的筏板基础是一块等厚的钢筋混凝土平板，称为平板式筏基（图a）；当柱荷载较大时，可以加大柱下面的基础板厚度，形成梁板式筏基，使其能承受相应的剪力和负弯矩（图b）；也可以设计成墩板式筏基（图C）

如果柱距太大和柱荷载差产生较大的弯曲应力时，则可沿柱轴线采用加厚的基础板肋带，形成格形梁板式刚性结构（图d），或使基础板与地下室墙组成刚架。

2）适用范围一般在下列情况下考虑采用筏板基础；（1）在软土地基上，当采用十字交叉条形基础不能满足建筑物的容许变形或地基承载力要求时；（2）当建筑物的柱距较小，而柱荷载很大，必须将基础连成一整体后才能满足地基承载力要求时；（3）在风荷载或地震作用下，欲使基础有足够的刚度和稳定性时。3.箱形基础1）基础形式当上部结构荷载较大，底层墙柱间距过大，地基承载力相对较低，采用筏板基础不能满足要求时，可采用箱形基础。箱形基础是由钢筋混凝上底板、顶板和纵横交错的隔墙组成的一个空间的整体结构。这种基础本身具有很大的刚度和整体性，能够抵抗并协调由于软弱地基在大荷载作用下产生的不均匀变形，并能加大基底面积，使上部荷载均匀地传递到地基土层中去，减少高层建筑的不均匀沉降，同时可以被利用作为地下室。

2）基础特性（1）箱形基础本身刚度很大，计算中可将上部结构视为嵌固于基础；（2）箱形基础加深了高层建筑的基础深度，增强了基础和周围土体的协同工作，因而可增加建筑物的整体稳定性；（3）箱形基础的埋深一般较大，既有利于提高地基承载力，又由于基础体积所占空间部分挖去的土方重量能够部分或全部抵消基础重量，减小基底压应力，因而是一种理想的补偿基础；（4）箱形基础较好的整体性使其具有较好的抗震性能。

4．桩基础桩基础是高层建筑常用的基础形式，具有承载能力大，能抵御复杂荷载以及能良好地适应各种地质条件的优点，尤其对于软弱地基上的高层建筑，桩基础是最理想的基础形式之一。1）桩基础作用特点（1）桩支承于坚硬的或较硬的持力层，具有很高的竖向承载力，可以承担高层建筑的全部竖向荷载；（2）桩基具有很大的竖向单桩刚度（端承桩）或群桩刚度（摩擦桩），在自重或相邻荷载作用下，不会产生过大的沉降和不均匀沉降，容易保证地基变形和建筑物的倾斜不超过允许范围；（3）由于桩基具有很大的侧向刚度和整体抗倾覆能力，因而能够抵御风和地震作用产生的水平荷载和力矩，保证高层建筑的抗倾覆稳定性；（4）桩身穿过可液化土层支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩，当地震造成浅部土层液化与震陷时，桩基可凭借深部稳定土层仍具有足够的抗压与抗拔承载力；从而确保高层建筑的稳定，且不产生过大的沉陷与倾斜。2）桩的基本形式常用的桩的形式按桩的传力及作用性质可分为端承型桩、摩擦型桩；按桩的制作方法可分为预制桩和灌注桩。（1）端承型桩上部结构荷载通过桩传递到坚硬土层或岩层中，这种桩主要靠桩端反力提供支承力。端承型桩又分为端承桩和摩擦端承桩。端承桩指在极限承载力状态下桩顶荷载由桩端阻力承受的桩，桩身表面与土的摩阻力一般可忽略不计。摩擦端承桩指在极限承载力状态下桩顶荷载主要由桩端阻力承受，桩侧摩阻力所占份额不大，但设计时应该计入。（2）摩擦型桩高层建筑通过桩将上部结构荷载传递到桩周土体中，这种桩主要靠桩与土的摩擦力来提供支承力。摩擦型桩又分为摩擦桩和端承摩擦桩。摩擦桩指在极限承载力状态下桩顶荷载由桩侧摩阻力承受的桩，桩端支承力可以略去不计；端承摩擦桩指在极限承载力状态下桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承受的桩，桩端阻力较小，但设计时应该计入。（3）预制桩预制桩按其采用的材料，可分为钢筋混凝土预制桩和预制钢管桩两大类。钢筋混凝土预制桩有实心桩、管桩等，为了节省钢材和提高桩身的抗裂性，也可采用预应力钢筋混凝土桩。预制钢管桩具有强度高、挤土量小、截接方便、贯入性能好等优点。钢管桩可不加桩靴，直接开口打入，入土后有大量土体涌入钢管桩内，当涌入桩内的土达到一定高度后，因挤密把桩口封实，产生闭塞效应。钢管桩的缺点是用钢量大，有可能增加建筑物的造价。（4）灌注桩灌注桩是在现场直接在所设计的桩位处成孔，然后在孔内放置钢筋笼、浇灌混凝土而形成的混凝土桩。目前，国内外采用的灌注桩按施工方法不同可分为几十种。与钢筋混凝土预制桩相比，灌注桩具有适应性强等优点，但在施工时必须严格保证桩身成型和混凝土浇灌质量。上述几种基础形式是高层建筑基础设计中所采用的几种典型的基础形式。事实上，随着高层建筑的发展和施工技术的进步，高层建筑基础形式也得到了很大的发展，形式更加丰富，更加灵活多样。目前在设计中已不仅仅只是采用上述某种单一的基础形式，而是采用多种基础的混合形