高层建筑结构设计若干重要问题探讨 傅学怡

百家论坛 建筑结构.技术通讯 2007年5月
高层建筑结构设计若干重要问题探讨
傅学怡1
，2
吴 兵2
(1 中建国际设计顾问有限公司 深圳 518033；2 深圳大学建筑设计研究院 518060)
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，作者对我国现行高层建筑结构抗震设计规范、规程中的框架柱剪力调整、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。

1 框架柱剪力调整
1.1 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。

1.2 抗震需要：提高结构二道防线的抗震能力。

1.3 现行规范剪力调整计算原则：
框架柱层总剪力调整值：)5.1,2.0min(fmax 0V V V f ≥（1） 层i 框架柱剪力调整系数:i f i V V K f f /= （2） 式中，V 0为基底总剪力，V fmax 为框架柱楼层总剪力最大值，V f i 为层i 框架柱总剪力。

如图1所示，层i 框架柱j 的剪力、弯矩相应调整为:
⎪⎩
⎪⎨
⎧==i ij ij i
ij ij K M K V V f f f f f f （3） 由节点力系平衡，再调整相连层框架梁的梁端剪力和弯矩。

1.4 问题：是否需满足节点力系平衡，即调整相连框架梁梁端剪力、弯矩？
1.5 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。

而框架梁纯弯，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。

2）计算分析表明[7]
，构件的最不利受力状态随构件的不同和地震作用方向的不同而不同，仅对相互正交的两个主轴x , y 方向进行内力分析及强度设计，不能真实反映结构的空间强度。

一些算例表明，当地震作用方向与结构的主轴方向一致时，梁处于最不利受力状态，而当地震作用方向与结构主轴方向呈45°时，大多数柱处于最不利
受力状态。

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。

因此，如果考虑节点力系平衡，实际结构承载能力将向强梁弱柱方向发展，不利于整体结构强柱弱梁的延性抗震。

1.6 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柱。

2 框架柱轴压比控制
2.1 受力延性需要：避免大震作用下框架柱压屈脆性破坏。

2.2 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）和表1所示。

（5） ][/c Af N ≤ξ式中，N 为小震作用组合下框架柱轴力设计值，A 为框架柱截面积，f c 为框架柱混凝土强度等级。

框架柱轴压比限值[ξ] 表1
抗震等级
结构类型 一
二
三
框架
0.7 0.8 0.9 框架-剪力墙、板柱-剪力墙及筒体0.75 0.85 0.95 部分框支剪力墙
0.6 0.7 —
2.3 分析：此轴压比限值仅与结构类型及抗震等级有关，而与框架柱在结构中所处的位置无关。

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，尤其角柱处于双向压弯和扭转作用下，轴力较大，受力较复杂。

因此，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。

2.4 建议：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》[5]，区别对待，适当调整。

中柱适当放松，边柱不变，角柱适当从严，见表2。

调整后的框架柱轴压比限值[ξ] 表2
抗震等级
一 二 三 结构
类型 中边角中边
角
中
边
角框架
0.8
0.7
0.6
0.9
0.8 0.7 0.95 0.9
0.8框架剪力墙0.850.750.650.95 0.85 0.75 0.95 0.950.95框支剪力墙
0.7
0.6
0.5
0.8
0.7 0.6 0.9 0.8
0.7
第一作者简介：傅学怡，研究员，博士生导师，《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构设计规范》编制组主要成员，《高层建筑结构设计
构造手册》常务副主编。

中国建筑学会结构分会理事、中国高层建筑结构委员会委员、中国高层建筑抗震委员会委员、英国注册结构工程师协
会资深会员。

E-mail: fu_xue_yi@ 。

图1 框架剪力调整弯矩示意 图2 水平地震作用下框架内力
1
3 框支框架倾覆弯矩控制
3.1 背景：1）现行规范规定框-剪结构需控制框架结构承受倾覆弯矩≤50%的整体结构倾覆弯矩，以确保框剪结构中具有足够数量剪力墙，提高结构抗震能力。

2）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，但尚未提及对框支框架结构承受倾覆弯矩的控制。

3）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。

3.2 建议：对带转换层高层建筑结构，需控制框支框架结构承受倾覆弯矩≤50%的整体结构倾覆弯矩。

3.3 效果：有利于落地墙、筒体加强，有利于减轻框支柱受力，提高结构抗震、抗倒塌能力。

3.4 工程实例：武汉金色华府（30层商住楼）。

调整前后结构布置如图3，4所示。

调整后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δmax /δ平均由1.3降到1.2。

图3 原底部楼层结构平面 图4 调整后底部楼层结构平面
4 地基基础设计
4.1 现行规范地基基础设计原则：
⎩⎨
⎧≤抗震）
（非抗震）(a a a
k f f p ζ （6） ⎩⎨
⎧≤抗震）
（非抗震）(2.12.1max
a a a k f f p ζ （7） 式中，f a 为修正后的地基承载力特征值，ζa 为地基抗震承载力调整系数，p k 为标准组合下基础底面平均压应力，p kmax 为标准组合下基础底面边缘的最大压应力。

4.2 地基基础设计控制要素及探讨：第一位控制要素：控制长期重力荷载作用下地基基础的变形及其差异变形；第二位控制要素：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。

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f a 较其极限承载力f u 有2倍以上安全系数。

f a 提高1.2，仍有2/1.2=1.7倍安全系数，边缘点f a 提高1.2×1.2，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2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，减少地基基础最大沉降；而建筑物边柱、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，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。

2）比较经济合理。

4.3 高层建筑地基基础设计框图建议修改如下：
4.4 工程实例：深圳百士达红树西岸（32层住宅）。

边桩直径
约减少100~200mm ，中桩直径基本不变，桩基费用下降7%。

图5 按建议设计桩基平面图（括号内为直接按最大组合轴力设计桩径）
5 结语
上述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。

值规范启动修订之际，发表此文以供参考。

参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3－2002）.中国建筑工业出版社.
[2] 建筑抗震设计规范（GB50011－2001）.中国建筑工业出版社.
[3] 建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）.中国建筑工业出版社. [4] Californial Building Code. 2001.
[5] 高层建筑结构设计建议（体系选择与构造措施）.高层建筑结构学
组.1984
[6] 傅学怡. 整浇钢筋混凝土建筑结构抗震设计理念探究——来自台
湾、阪神和阿拉斯加等地震震害的启示. 建筑结构，2005.5
[7] 李少泉,沙镇平. 空间钢筋混凝土框架结构的强度分析. 建筑结构，2003，33（2）.
2。