高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設計淺析

1、    高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設計淺析    黃川騰+蒲爽摘 要：針對高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本文首先介紹其特點，指出抗震概念設計在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的定義及基本內(nèi)容，明確了概念設計的重要性和關(guān)鍵作用，討論了高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)抗震概念設計的核心準則及其保證措施，提出了加強抗震概念設計的若干舉措和建議。關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震；概念設計；計算設計：tu318+.1 ：a現(xiàn)代高層建筑出現(xiàn)在19世紀，1960年以后，建筑材料、結(jié)構(gòu)體系和施工技術(shù)的不斷發(fā)展，進入了大量建造50層以上高層建筑的時代。高層建筑結(jié)構(gòu)的材料主要是鋼筋混凝土和鋼。除了全部采用鋼材的鋼結(jié)

2、構(gòu)和全部采用鋼筋混凝土材料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，同時采用兩種材料做成的混合體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)在近年來也得到了廣泛應用。但考慮到建設成本、維護成本、可模性等因素，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在未來很長一段時間內(nèi)仍然會作為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)類型。一、高層建筑的特點何謂高層建筑，其高度測量起始位置和終止位置在何處，世界上均無統(tǒng)一規(guī)定。在我國，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（jgj3-2010）（下簡稱高規(guī)）規(guī)定：10層及10層以上或總高度超過28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)為高層建筑。相較于低層結(jié)構(gòu)以豎向荷載為控制因素，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載往往成為了設計中的控制因素，建筑物的高度與荷載效應

3、的關(guān)系一般為：n=f（h），m=f（h2），=f（h4）。由此可知，隨著高度的增大，位移增大最快，彎矩次之，軸力再次之。構(gòu)件截面層次的強度、結(jié)構(gòu)層次的剛度和穩(wěn)定性是高層建筑設計的核心控制指標。在地震區(qū)，要求高層建筑有良好的抗震性能。在地震作用下結(jié)構(gòu)具有良好的塑性變形能力。具體應使高層建筑達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。高層建筑的設計是一個系統(tǒng)工程，包括概念設計、構(gòu)件設計、構(gòu)造措施、維護保養(yǎng)手段等。如果將其與人做對比，那么概念設計無疑是高層建筑的dna，決定了建筑物先天條件；構(gòu)件設計和構(gòu)造措施，類似人的后天成長和學習；與人類一樣，維護保養(yǎng)可以使建筑物更長久更安全地服役。二、抗震概念設

4、計的含義因其豐富內(nèi)涵，概念設計對高層建筑結(jié)構(gòu)設計具有相當重要的作用，盡管多年以來在高層建筑結(jié)構(gòu)的教育和培訓中受到普遍重視，但當前結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)設計軟件的依賴和面向應用的高等教育模式又往往將其淡化了。結(jié)構(gòu)概念設計并非強調(diào)計算方法和計算的準確性，它強調(diào)的是一種抗震設防理念在結(jié)構(gòu)設計每一步驟中具有體現(xiàn)，包括方案設計階段、初步設計階段和施工圖設計階段等，它是結(jié)構(gòu)工程師水平的體現(xiàn)。概念設計是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)、震害現(xiàn)象和工程經(jīng)驗提煉、總結(jié)出的基本設計原則和理念，是一種定性設計。三、概念設計的目的和重要作用在進行建筑抗震設計時，原則上應滿足二階段三水準的設計原則。第一階段的設計，通過計算保證強度要求和變形要求

5、。第二階段的設計，通過彈塑性層間側(cè)移驗算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，實現(xiàn)“大震不倒”的第三水準抗震設防要求。我國設計規(guī)范主要通過良好的抗震構(gòu)造措施來實現(xiàn)“中震可修”的第二水準要求。概念設計在總體上把握抗震設計的基本原則，以滿足抗震設防要求。概念設計的重要性還在于現(xiàn)行建筑抗震設計方法存在以下問題：（1）地震影響的不確定性；（2）地震作用計算方法的近似性；（3）結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法的近似性。四、抗震概念設計的基本內(nèi)容建筑抗震設計規(guī)范（gb50011-2010）（下簡稱抗規(guī)）對抗震概念設計作了全面具體的規(guī)定，使概念設計更容易理解，也使更多的設計人員便于掌握和運用概念設計。規(guī)范明確了概念設計包含的3個基本內(nèi)容：（1

6、）重視結(jié)構(gòu)的規(guī)則性；（2）選擇合理的結(jié)構(gòu)體系；（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設計。五、概念設計的核心準則及其保證措施（一）核心準則“強節(jié)點弱構(gòu)件”防止節(jié)點核心區(qū)破壞先于構(gòu)件；“強柱弱梁”防止結(jié)構(gòu)塑性鉸先在柱內(nèi)出現(xiàn)，要求柱的抗彎能力高于梁的抗彎能力；“強剪弱彎”防止構(gòu)件發(fā)生剪切破壞，要求構(gòu)件受剪承載力高于受彎承載力。（二）保證措施保證措施有兩個方面：一是合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準（也可以說承載能力）的地震作用。這個地震作用通常小于或明顯小于設防烈度地震，但它必須與結(jié)構(gòu)的延性能力相協(xié)調(diào)。二是制定有效的抗震構(gòu)造措施使結(jié)構(gòu)確實具備所需要的保持豎向承載力條件的非彈性變形能力。這兩個方面在高規(guī)中有詳細的規(guī)定。如：高規(guī)

7、第3.9節(jié)（抗震等級）的要求，我國規(guī)范對鋼筋混凝土延性等級的劃分以烈度區(qū)為主要依據(jù)，但還要考慮各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及同一類結(jié)構(gòu)中不同組成部分對延性的不同需求，因此高規(guī)建立了“抗震等級”（即抗震措施的等級）的概念，并將其劃分為一、二、三、四級。這樣，只需規(guī)定各抗震等級對應的內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造措施，所有不同類型結(jié)構(gòu)在不同抗震設防標準下的對應抗震手段就都清楚了?？傊?，高規(guī)中許多條文都是概念設計的內(nèi)容，都與“三強三弱”密切相關(guān)。六、加強抗震概念設計的建議（1）結(jié)構(gòu)工程師不應被設計軟件束縛，應該對概念設計有清晰認識，通過概念設計使建筑結(jié)構(gòu)更合理；對高規(guī)及抗規(guī)應加強學習理解，對各條規(guī)范內(nèi)涵應注意把握，對規(guī)范條文的邏

8、輯聯(lián)系應加強體會。在實踐中，保證對各條概念設計條文的正確執(zhí)行；（2）結(jié)構(gòu)工程師應當善于模仿、學習、創(chuàng)新，善于從別人的結(jié)構(gòu)方案中獲得新的靈感；（3）建筑師也應加強結(jié)構(gòu)專業(yè)知識的學習，掌握基本的建筑力學和結(jié)構(gòu)設計概念，在方案階段就盡力保證建筑結(jié)構(gòu)布局和造型的美觀合理，并注意與結(jié)構(gòu)工程師配合溝通，避免出現(xiàn)因溝通不暢導致的項目進展阻滯。結(jié)語高層建筑結(jié)構(gòu)設計遵循如下的流程：方案選擇、概念設計荷載水平計算各種工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算第一次內(nèi)力調(diào)整荷載組合第二次內(nèi)力調(diào)整構(gòu)件設計及剛度驗算。概念設計貫穿了整個設計流程，尤其是在結(jié)構(gòu)選型和布置階段，嚴格執(zhí)行概念設計足以幫助建筑結(jié)構(gòu)擁有良好的先天安全與穩(wěn)定優(yōu)勢，在后續(xù)構(gòu)件設計及剛度驗算時更容易滿足和通過。概念設計也是體現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)工程師水平高低的重要方面。無論是教學、科研還是工程實踐，概念設計都應該是重點和核心內(nèi)容。參考文獻1 jgj 3-2010