浅谈建筑结构抗震设计概念(十五)

浅谈建筑结构抗震设计概念（十五）复杂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.

我们在思考和解决一个复杂问题时,一般应该分宏观和微观两个层面,如果细分可以再加上中观一个层面.对复杂高层概念的理解和设计更应该分两个或三个层面去思考和处理.

下面对规范规定的复杂高层结构（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

讲复杂结构为什么先说地下结构呢？这是因为地上建筑定义的一些复杂建筑结构如果是放在地下,那就不能算是复杂结构了.比如位于地下的转换、错层,高层建筑的连片的地下车库等.规范并没有明说,所以造成很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？

地下结构是四面围土的,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,可以认为是四周围土的结构,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,场地土的地震动加速度在大概地下室埋深约20米的范围内,距离地面越近地震动加速度越大,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动方向的土压力（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,但因为楼层（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力来说几乎可以忽略不计.

这就是为什么纯地下建筑结构理论可以不考虑抗震的原因.

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减少,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,这个有本质的区别.

显然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（如果可以叫效应的话）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原因.

（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非常复杂的,某个断面上的受力示意如下图：

注：图形引自朱丙寅的建筑抗震规范分析

（4）抗规给出的“土层-结构时程分析法（SSIsoil-

structure interaction)”“等效水平加速度法”“平面应变分析模型“等等,大概就是上述概念的具体的计算方法.但这计算到底准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,其结构更是不可信的多.

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复杂的计算一般结构工程师遇不到,不必深究,但不妨碍我们从概念上应该理解其原理.

（5）民用建筑的地下结构或地上建筑的地下部分设计应该按规范的抗震等级和构造的要求进行设计.如果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复杂结构考虑就是自然的了.

二：转换层复杂结构

《高规》附录E给出了转换层上下层刚度比的具体要求和计算公式,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该轴线上尽量一致,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,宏观上复杂程度多了一个量级.

转换层结构的层间位移、位移比、扭转、薄弱层软弱层的计算是宏观指标的控制.首先这些宏观的指标要满足规范的要求,对宜满足的情况也要尽量满足,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,所以非必要尽量避免.

结构的转换层部位是应力比较复杂的部位,宏观指标难以表现出微观的构件层面的受力情况,所以需要对构件进行更详细的分析,用于构件的配筋是必要的.应力复杂的部位难以算的清楚,微观上提高构件的抗震等级加大其承载能力是很有必要的,高规对此做了很多规定,很多构造规定也比一般的结构严格很多也是这个道理.

框支梁包含梁、及梁上部一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,规范因此做了很多具体的规定.

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.

这种不利对于纯框架结构几乎不能采用具体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用.高规第十章10.1.3条规定了框剪结构、剪力墙结构的适宜的高度,根本就没提到框架结构,我理解是高层框架结构不能采用错层结构.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.