高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)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(diǎn)，指出抗震概念設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的核心準(zhǔn)則及其保證措施，提出了加強(qiáng)抗震概念設(shè)計(jì)的若干舉措和建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震；概念設(shè)計(jì)；計(jì)算設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU318+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

現(xiàn)代高層建筑出現(xiàn)在19世紀(jì)，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(jìn)入了大量建造50層以上高層建筑的時(shí)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)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(shí)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(yīng)用。但考慮到建設(shè)成本、維護(hù)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(shí)間內(nèi)仍然會(huì)作為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)類型。

一、高層建筑的特點(diǎn)

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(shè)計(jì)中的控制因素，建筑物的高度與荷載效應(yīng)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(qiáng)度、結(jié)構(gòu)層次的剛度和穩(wěn)定性是高層建筑設(shè)計(jì)的核心控制指標(biāo)。

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(yīng)使高層建筑達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。

高層建筑的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括概念設(shè)計(jì)、構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)造措施、維護(hù)保養(yǎng)手段等。如果將其與人做對比，那么概念設(shè)計(jì)無疑是高層建筑的DNA，決定了建筑物先天條件；構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，類似人的后天成長和學(xué)習(xí)；與人類一樣，維護(hù)保養(yǎng)可以使建筑物更長久更安全地服役。

二、抗震概念設(shè)計(jì)的含義

因其豐富內(nèi)涵，概念設(shè)計(jì)對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)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(xùn)中受到普遍重視，但當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的依賴和面向應(yīng)用的高等教育模式又往往將其淡化了。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)并非強(qiáng)調(diào)計(jì)算方法和計(jì)算的準(zhǔn)確性，它強(qiáng)調(diào)的是一種抗震設(shè)防理念在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)每一步驟中具有體現(xiàn)，包括方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段等，它是結(jié)構(gòu)工程師水平的體現(xiàn)。

概念設(shè)計(jì)是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、震害現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)提煉、總結(jié)出的基本設(shè)計(jì)原則和理念，是一種定性設(shè)計(jì)。

三、概念設(shè)計(jì)的目的和重要作用

在進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，原則上應(yīng)滿足二階段三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則。第一階段的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算保證強(qiáng)度要求和變形要求。第二階段的設(shè)計(jì)，通過彈塑性層間側(cè)移驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防要求。我國設(shè)計(jì)規(guī)范主要通過良好的抗震構(gòu)造措施來實(shí)現(xiàn)“中震可修”的第二水準(zhǔn)要求。概念設(shè)計(jì)在總體上把握抗震設(shè)計(jì)的基本原則，以滿足抗震設(shè)防要求。概念設(shè)計(jì)的重要性還在于現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)方法存在以下問題：（1）地震影響的不確定性；（2）地震作用計(jì)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(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（下簡稱《抗規(guī)》）對抗震概念設(shè)計(jì)作了全面具體的規(guī)定，使概念設(shè)計(jì)更容易理解，也使更多的設(shè)計(jì)人員便于掌握和運(yùn)用概念設(shè)計(jì)。規(guī)范明確了概念設(shè)計(jì)包含的3個(gè)基本內(nèi)容：（1）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(shè)計(jì)。

五、概念設(shè)計(jì)的核心準(zhǔn)則及其保證措施

（一）核心準(zhǔn)則

“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”——防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞先于構(gòu)件；“強(qiáng)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(qiáng)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(gè)方面：一是合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)（也可以說承載能力）的地震作用。這個(gè)地震作用通常小于或明顯小于設(shè)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(shí)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(gè)方面在《高規(guī)》中有詳細(xì)的規(guī)定。如：《高規(guī)》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(yīng)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(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的對應(yīng)抗震手段就都清楚了。總之，《高規(guī)》中許多條文都是概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容，都與“三強(qiáng)三弱”密切相關(guān)。

六、加強(qiáng)抗震概念設(shè)計(jì)的建議

（1）結(jié)構(gòu)工程師不應(yīng)被設(shè)計(jì)軟件束縛，應(yīng)該對概念設(shè)計(jì)有清晰認(rèn)識(shí)，通過概念設(shè)計(jì)使建筑結(jié)構(gòu)更合理；對《高規(guī)》及《抗規(guī)》應(yīng)加強(qiáng)學(xué)習(xí)理解，對各條規(guī)范內(nèi)涵應(yīng)注意把握，對規(guī)范條文的邏輯聯(lián)系應(yīng)加強(qiáng)體會(huì)。在實(shí)踐中，保證對各條概念設(shè)計(jì)條文的正確執(zhí)行；（2）結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)善于模仿、學(xué)習(xí)、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(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握基本的建筑力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dǎo)致的項(xiàng)目進(jìn)展阻滯。

結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循如下的流程：方案選擇、概念設(shè)計(jì)→荷載水平計(jì)算→各種工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)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(shè)計(jì)及剛度驗(yàn)算。概念設(shè)計(jì)貫穿了整個(gè)設(shè)計(jì)流程，尤其是在結(jié)構(gòu)選型和布置階段，嚴(yán)格執(zhí)行概念設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及剛度驗(yàn)算時(shí)更容易滿足和通過。概念設(shè)計(jì)也是體現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師水平高低的重要方面。無論是教學(xué)、科研還是工程實(shí)踐，概念設(shè)計(jì)都應(yīng)該是重點(diǎn)和核心內(nèi)容。

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