高层建筑结构设计中抗震概念设计及其应用
摘要：对我国高层建筑结构的抗震设计进行了分析,从抗震概念设计的内容、重要性等方面进行了论述,为结构工程师和建筑师可以设计出更多安全可靠的高层建筑提供了依据。为了保证在地震区高层建筑的工程设计质量和提高其延性性能，依据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）和建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中有关加强抗震概念设计的部分内容，通过工程实例从建筑、结构设计的简单性、整体性、规则性和均匀性、结构的刚度和抗震能力等方面加以阐述抗震概念设计的具体运用。
关键词：抗震；概念设计；延性,刚度；高层建筑；结构分析；结构布置；
1前言
地震是一种随机振动，有难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到。在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，同时也存在着不准确性。因此，工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，而必须立足于“概念设计”。概念设计是指设计人员从结构的宏观整体出发，用结构系统的观点，着眼于结构整体反应，正确地解决总体方案、材料使用、分析计算、截面设计和细部构造等问题，力求得到最为经济、合理的结构设计方案以达到合理抗震设计的目的。
2高层建筑抗震设计思想
国内外对建筑抗震进行了大量的研究,抗震设计理念也有多种,但是现在比较常用的主要有:概念设计和基于位移的抗震设计。
2.1抗震概念设计一般原则
概念设计是相对于数值设计而言着眼于结构的总体地震反应,可以理解为运用人的思维和判断能力,从宏观上决定结构设计中的基本问题。抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。
需要强调的是设计不能陷入只凭计算的误区，若结构严重不规则，整体性差，仅按目前的结构设计计算水平，是难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。因此，要求建筑师与结构工程师要共同把好初步设计这一环节。关于高层建筑混凝土结构概念设计的一般原则和具体内容，高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）有关章节作了规定。
（1）结构的简单性结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径。建筑抗震设计规范（GB50011-2001）第3.5.2条作为强制性条文要求，“结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。”只有结构简单，才能够对结构的计算模型、内力与位移分析，限制薄弱部位的出现易于把握，因而对结构抗震性能的估计也比较可靠。
（2）结构的规则性和均匀性建筑抗震设计规范（GB50011-2001）第3.4.2条要求，“建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面布置宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。”建筑平面比较规则，不应采用严重不规则的平面布置，对A级高度建筑宜平面简单、规则、对称、减小偏心；而对B级高度建筑则应简单、规则、减小偏心。平面布置均匀规则，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。结构布置均匀、建筑平面规则，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，增加结构的赘余度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。
（3）结构的刚度和抗震能力水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力，结构的抗震能力则是结构强度及延性的综合反映。结构刚度的选择既要减少地震作用效应又要注意控制结构变形的增大，过大的变形会产生重力二阶效应，导致结构破坏、失稳。结构应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力，现有的抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在抗震概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。
（4）结构的整体性在高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用，楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要求这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能协同工作。
2.2基于位移的抗震设计
基于位移的抗震设计是一种以变形位移、层间侧移角为性能指标,进行结构及构件的设计。在这种方法中,位移是已知的给定输入量,而强度和刚度则是设计的输出结果。基于位移的抗震设计方法目前大致有:
2.2.1按延性系数设计方法
延性系数法是利用的延性和要求的延性对应结构或构件的需求延性,即目标延性的计算方法,将延性需求和可利用的延性作对比,以评价结构的抗震性能并用于考虑扭转影响的延性结构基于位移的设计。衡量延性的量化设计指标最常用的是曲率延性系数和位移延性系数、二者的定义为截面构件屈服后的曲率位移与屈服曲率位移之比。设计中一般关心的是最大曲率位移延性系数,用公式表示如下:
式中,ΦH和ΦY分别表示塑性铰区截面的极限曲率和屈服曲率;ΔH和ΔY分别表示延性构件的极限位移和屈服位移。按延性系数设计的方法实际上是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系,由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变,从而使得构件具有要求的延性系数。
2.2.2能力谱法
能力谱设计方法的基本思想是对己设计好的结构进行静力弹塑性分析,将分析的结果基底剪力一顶点位移关系曲线转化成一条能力谱曲线(加速度Sa与位移Sd关系曲线),同时将设计地震反应谱曲线转化成一条需求谱曲线。将这两条曲线放人同一坐标系中,若两曲线相交,可以求得交点(性能点)的位移,此位移称为结构的目标位移。同时根据图示的方法可以直观的评价结构在给定地震作用下的性能。能力谱法计算步骤如下:
(1)按规范进行结构承载力设计;
(2)用静力弹塑性分析方法计算结构的基底剪力VB与顶点位移Un;
(3)建立能力谱曲线。对于高度不是很高、地震反应以第一振型为主的建筑结构,可以用等效单自由度体系代替原多自由度体系分析结构。
(4)建立需求谱曲线,提高结构和构件的延性水平,结构的延性一般用结构顶点的延性系数表示:
式中:Δuq—结构顶点屈服位移;μ—结构顶点延性系数;Δux—结构顶点弹塑性位移限制。
一般认为,在抗震结构中结构顶点延性系数应不小于3～4。结构的顶点位移是由楼层的层间位移累积产生的,而层间位移又是由结构构件的变形形成的。因此,要求结构具有一定的延性就必须保证结构构件有足够大的延性,主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主,应避免变形性能差的混凝土首先压溃或剪切破坏,以及钢筋锚固失效和粘结破坏。
3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。
（1）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。
（2）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。又如：对钢筋混凝土杆件而言，杆件截面的平均剪应力过高，都会降低箍筋的抗剪效果，平均剪应力较小时，可以避免出现剪切破坏，所以建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中第6.2.9条规定钢筋混凝土结构的梁、柱、抗震墙和连梁的截面组合剪力设计值应符合下式要求：
4工程应用分析
某工程大厦,是一座集电力通讯调度和高级办公功能为一体的智能化大厦。大厦由主楼及裙楼两部分组成,总面积共计48312m2。主楼与裙楼均设有三层地下室,基础埋深标高为-12.60m。主楼地上32层,室外地坪至大屋面高度为126.30m,是目前国内8度抗震区内较高的框筒结构。裙房地上5层,高28.10m。本工程抗震设防烈度为8度,场地类别为Ⅲ类。其工程结构抗震专审已经由当地省抗震办组织有关专家审查并予以通过。
由于建筑需要,主楼结构型式设计为框架-筒体结构。主楼高度为126.30m,大屋面以上另有二层钢结构构架。本工程扩初设计及部分施工图设计仍是执行《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3-91)(本文中简称老高规)。在老高规中,8度区框筒结构的房屋最大适用高度为100m。本工程高度属于超限范围,而且不满足建设部59号部长令中要求的“8度设防时,超高层不得超过规范、规程的20%”。因为在较高的高度情况下,风荷载、地震等水平力作用下的结构位移量势必较大,外框柱所承受的轴力也相应较大。
4.1主楼平面及高宽比
主楼标准层平面近似为椭圆形,短向(y向)尺寸较小,造成结构的高宽比较大,其高宽比值在未经调整前为4.6,超过了老高规中“不得大于4”的要求。虽然,筒体结构在细高的情况下,才能近似于竖向悬臂箱型梁,发挥其空间整体作用。但是,高宽比太大势必引起水平力作用下较大的倾覆力矩,进而影响到结构的稳定。椭圆形平面的风载体型系数较小,而西安市区的高层基本风压为0.385kN/m2,远小于沿海地区。所以,地震力起主导作用。椭圆形的短轴即y向是抗震的较弱方向,调整及适当加强y向刚度是十分重要的。外框柱柱间间距较大,达到9.0m。外围稀柱的框架-筒体结构的工作性能接近于框架-剪力墙结构,中央核心筒体需要承受大部分水平地震力产生的剪力和弯矩。
4.2平面抗侧力构件的调整
经多次调整,核心筒的宽度与总高度之比为1/11.2,内筒的外墙与外框之间的间距为8.20m,设计中进行了三个结构平面布置方案的计算比较。
4.2.1加强椭圆短轴y向外围的四根柱断面椭圆短轴Y向外围的四根柱在12层以下的断面如图4所示,这样使得整体结构宽度增加至31.90m,高宽比为3.95,满足老高规中“小4”时,y向刚度也得到了加强。同时,y向刚度也得到了加强。
核心筒x向最大厚度:400mm,y向最大厚度:500mm。
4.2.2增加内柱
在不影响建筑使用功能的前提下,在y向沿内走廊边设置4个1000(mm)×1000(mm)断面的内框柱,主要用以加强y向刚度。
核心筒x向最大厚度:400mm,y向最大厚度:500mm。
4.2.3适当调整Y向外围的柱断面尺寸
不增设内柱,椭圆短轴y向外围的四根柱适当放大断面尺寸至2000(mm)。核心筒X向最大厚度:500mm,y向最大厚度:600mm。
4.3平面调整的计算结果分析
平面调整的计算结果见表1。可见,第二种情况下,由于增加的内柱更好地协调了内筒与外框柱之间的共同作用。不仅提高了y向刚度,而且使得x向与y向的刚度比较接近,这是比较好的一种方案。
4.4基础设计
主楼与裙楼地下室连通为整体,±0.000以上设置抗震缝,缝宽250mm,从而解决了抗震时的地下室稳定问题。由于是整体地下室,首先必须严格控制主楼、裙楼的沉降。此外,为减少沉降差异,在主楼与裙楼间设置一条沉降后浇带。工程桩的选型见表3。制桩工艺根据当地施工经验,采用钻斗钻成孔(即旋挖钻)方法。其中,主楼要求先进行二组场外试桩
4.5计算方法
本工程抗震计算采用PKPM的TAT及SATWE计算程序,并采用ETABS(美国)程序进行对比计算分析。
SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱等构件,用在壳元基础上生成的墙元模拟剪力墙。ETABS的功能更加强大一些,它可以模拟三维剪力墙系统,包括曲线剪力墙、不连续剪力墙及具有任意开洞的剪力墙,准确获得扭转和弯曲翘曲结果;它的楼板分析程序可使任意柱线从任意楼板上脱离开来,较精确地考虑弹性板刚度。
《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3-2002)(本文中简称新高规)于2002年9月1日开始执行,正值本工程施工图设计过程中。新高规中,本工程属于B类高度建筑。根据抗震审查专家意见,本工程构造应按新高规执行。
5结语
在概念设计中,最重要的是分析、预见、控制结构的耗能和薄弱部位,找出能支持结构,使它不倒塌的关键部位。各部分构件该强则强,该弱则弱,有预见才能做到措施具体而有效。概念设计必须综合考虑各方面的因素,有矛盾时要衡量利弊,消除其弱点。作为土木工程技术人员在高层建筑的研究和工程设计中，应从整体宏观的观点出发，在设计的整个过程中更好地运用概念设计，综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几方面内容，从而创造出更加安全、适用、经济美观的高层建筑。
参考文献：
[1]肖桂清.建筑结构抗震设计的若干对策及改进建议[D].武汉:武汉大学,2004.
[2]沈根平.建筑抗震概念设计[J].当代建设,2003(5):7.
[3]马任重,郑鹏飞.重视建筑抗震概念设计[J].当代建设,2000(5):22.
[4]薛剑锋,林建华.高层建筑设计中建筑师与结构师的协作[J].重庆建筑大学学报(社会科学版),2000(3):27.
[5]张应翠,张大庆.建筑结构的概念设计与CAD应用[J].安徽建筑,2000(3):18.
[6]邓文旭.建筑抗震概念设计初探[J].山西建筑,2007,33(24):69270.
[7]中华人民共和国建设部.一级注册结构工程师必备规范汇编[M]1北京:中国建筑工业出版社,2004
[8]谢礼立,马玉宏1基于抗震性态的设防标准研究[J]1地震学报,2002,(2)
[9]钱镓茹,罗文斌1建筑结构基于位移的抗震设计[J]1建筑结构,2001,31(4):3～6