高层混凝土建筑抗震结构设计论文

略谈高层混凝土建筑抗震结构设计

摘要：本文阐述了高层混凝土建筑抗震结构设计的概念和原理，分析了以往受地震损坏的高层案例带来的启示，有一定的参考价值。

关键词：高层混凝土建筑；抗震设计；结构设计

中图分类号：tu37 文献标识码：a 文章编号：

1 高层混凝土建筑抗震设计的原理

《高层建筑混凝土结构技术规程》( jgj3—2002) ( 简称《高规》) 对高层的定义如下: 10 层及10 层以上或高度超过 28m 的混凝土结构高层民用建筑。高层建筑结构从表面上看主要体现在层数和高度，而实质上高层建筑的特点是水平荷载在设计中占主导地位。结构内力与高度的关系见图 1，轴力n与高度成正比，弯矩m和水平位移δ与层数的关系曲线均呈上升趋势。那么高层建筑结构如何抵抗水平荷载成了又一设计主题，研究建筑结构抗侧力能力成为高层建筑结构抗震设计的重点。高层建筑水平力主要由风荷载和地震荷载引起，而地震荷载作用往往起控制作用。地震荷载的破坏特点是: 作用时间短暂，强度大且无规律，除水平振动外还有扭转振动。在设计过程中为了提高建筑物的抗震性能，完全用弹性理论分析着手进行设计是不可行的，因为抗侧构件会增大很多，且增加了结构主体的自重，导致结构在水平地震力作用时增大结构自身的惯性力，从而对抗震更加不利。那么就应该从结构概念着手，在满足建筑功能的前提下，尽量使建筑物平面、立面规则，合理有效地布置

结构构件，减轻结构自身重量，避免出现由于设计不当造成人为的薄弱层。这是一条比较好的思路，也是现代高层建筑钢筋混凝土结构设计师最为提倡的设计理念。

高层建筑钢筋混凝土结构在发展中国家应用尤为广泛，这也是由混凝土结构本身的特点所决定的。其造价相对于钢结构较低，材料来源丰富，并且可以浇筑成各种复杂断面形状，钢材用量少，而且承载力也不低，侧向刚度大，整体浇注的连接节点可靠，抗震性能在经过合理设计之后也可获得较好的效果。

高层建筑钢筋混凝土结构的类型目前主要有以下几种: 框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。对于高层建筑钢筋混凝土结构在抗震设计中的概念设计，林同炎从以下方面进行了阐述: 1)增加抗弯结构体系的有效宽度; 2) 设计结构分体系应使其构件以最有效的方式相互作用; 3) 增加承受荷载最有效的构件截面; 4) 使大部分竖向荷载直接由主要抗弯构件承受; 5) 在竖向结构分体系中，合理布置实心墙或者斜撑构件，可以最有效地抵抗每层楼的局部剪力; 6) 每层楼盖应足以起水平隔板作用; 7) 将大型竖向和水平构件连接成巨型框架。

上述七点是对高层建筑抗震结构概念设计提出的确定原则，需要准确地理解才能更好地在实际工程中应用。

针对第 1 条，增加抗弯结构体系的宽度，主要是为了提高高层建筑的抗倾覆力矩，而且可以使侧移以三次方的比例减小，这一设

计理念，可以用结构力学的弯矩平衡法计算并很快地理解。但在实际工程设计中，应必须做到结构体系中的竖向构件连接良好，对框架结构来说，构件设计应做到四强四弱: 强柱弱梁，强压弱拉，强剪弱弯和强节点弱杆件。对剪力墙结构来说，应使钢筋混凝土剪力墙墙肢具有足够的厚度及足够的竖向钢筋来抵抗因加大结构宽度而增大的弯矩。框架-剪力墙及框筒结构为上述特点的综合。

针对第 2 条，可从力学角度考虑，采用有效的抗力构件布置来提高结构的整体协调工作，比如桁架体系、斜撑、水平撑等，但应使其完全符合实际受力状态，并有效地发挥杆件本身抗压和抗拉能力的受力特点，不可形同虚设。对于抗侧力来说，设置钢骨混凝土斜撑或交叉撑是最有效的措施，构件完全处于受压或受拉状态，既能充分发挥混凝土构件的抗压能力及钢材的抗拉能力，又能增大结构在水平方向的抗侧移刚度，从而提高高层建筑混凝土结构的抗震性能。

针对第 3 条的理解，也就是增大承受地震力最大部分结构构件的截面。在实际高层建筑混凝土结构设计中体现在底部加强层的应用。《高规》7． 1． 9条规定抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高的 1/8 和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过 150m 时，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的 1/10，部分框肢剪力墙结构底部加强部位的高度应符合本规程第 10． 2． 4 条的规定。《高规》7． 2 条明确规定了钢筋混凝土剪力墙结构的墙体在不同抗震等级中的最小厚度、混凝土最低强

度等级以及最小配筋率。这些规定正是针对“增加承受荷载最有效的构件截面”在国内高层建筑钢筋混凝土结构设计中抗震概念设计理念的体现。

针对第 4 条也就是实际设计中使受弯构件同时也是结构的竖向受力构件。这将使主要的抗倾覆构件在压力作用下对提高结构的整体稳定性起到更好的作用，从而减小为抗倾覆而增加结构构件数量，减轻结构自重，节省工程造价。

针对第 5 条，实际同第 2 条，通过运用斜撑构件，提高结构自身抵抗水平地震剪力的能力，对于结构优化设计起到有效的作用( 图 2，3) 。

针对第 6 条，实际设计中应该符合计算时的假定: 对所有楼层强制采用刚性楼板假定。这主要体现在，结构楼板应具有足够的刚度，楼板应有一定的厚度及配筋，且在平面内开洞率应受到限制。否则，结构会在地震力作用下在层高处因楼板成为薄弱层而先于主体竖向构件破坏，从而引起结构整体垮塌。

针对第 7 条，实际设计中，采用水平巨型梁或桁架连接巨型柱，使梁柱成为整体共同受力，其受力特点与框架结构相似。

2 地震灾害对建筑物的破坏

从世界各国曾发生的地震灾害中会发现，结构抗震概念设计是非常重要的。1999 年中国台湾发生了 7． 3 级地震，林县斗六市的中山国宝二期大楼( 两栋 12 层钢筋混凝土框架结构住宅) 整体

倒塌，原因就是框架柱设计数量过少，抗侧力构件强度不足引起的。2008 年 5． 12 汶川地震中，都江堰公安局大楼剪力墙边梁跨高比小，剪切破坏。都江堰市岷江国际大楼，为 18 层框架-剪力墙结构体系，因剪力墙墙肢压碎破坏。从结构概念设计方面来说，底部受地震力最大部位结构构件应加强设计，而地震时这些部位先受到破坏，说明设计中底部结构构件强度明显不足。这些也给我们以启示，高层建筑钢筋混凝土结构应先从概念设计入手，整体考虑结构体系的受力情况，局部受力最大处加强设计，减少薄弱层的出现，使结构做到整体协调受力，合理抵抗地震力。

3 结语

高层建筑结构强调概念设计的重要，主要因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使得计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，就需要用概念设计与结构措施来弥补结构计算中的不足。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，对电算计算结果不加以分析、判断，完全按照计算结果进行设计。但仅此是不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标的。必须重视概念设计。从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。