建筑抗震設計

1、我國高層建筑抗震設計問題探究1、我國高層建筑的發(fā)展如果說70年代是我國高層建筑設計與施工的學習與練兵階段，那么80年代則是我國高層建筑在設計、計算及施工技術各方面迅速發(fā)展的階段，各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋混凝土為主的建筑。進入90年代，我國高層建筑結(jié)構的設計與施工技術進入了新的階段，不僅結(jié)構體系及建筑材料出現(xiàn)多樣化，而且在高度上上長幅度很大，有一個飛躍。目前對于我國的58座最高建筑結(jié)構的分析研究，筆者發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。1 150m以上的高層建筑絕大部分集中在沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，以上海最為集中，全部建在抗震設防地區(qū)，為抗震結(jié)構。2從建筑材料看，在超高層建筑中，鋼筋混凝土

2、結(jié)構占64，而在前30幢中，鋼筋混凝土結(jié)構只占50；高度增加以后，混合結(jié)構的比例上升，由26升為40，而鋼結(jié)構占的比例未變，僅為10。可以說，目前我國最高的一些建筑，鋼與混凝土組成的混合結(jié)構占了重要地位，其它如鋼骨混凝土結(jié)構及鋼管混凝土結(jié)構則很少。3從結(jié)構體系看，超高層建筑主要采用了三種體系：框架一筒體體系、筒中筒體系和框架一支撐體系。框架一支撐體系都是鋼結(jié)構。筒中筒體系中，除一幢是鋼結(jié)構，一幢為混合結(jié)構外，其它都是鋼筋混凝土結(jié)構。在框架一筒體體系中，則以外框架一核心簡體系為主，其中又以外鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構占了很大比例，特別是在前30幢建筑中，17幢框架一筒體都是外框架一核心筒結(jié)構，其中

3、有11幢采用外鋼與內(nèi)混凝土組合的混合結(jié)構；在我國前58幢建筑中，有35幢建筑為框架一筒體結(jié)構，其中，外鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構占了14幢。4從國內(nèi)外設計(指結(jié)構設計)比例看，前30幢建筑，國內(nèi)設計占23；前58幢建筑，國內(nèi)設計達34從施工看，除少數(shù)是國外公司總承包外，進入90年代以后，絕大部分是由國內(nèi)建筑公司承包了。從以上的簡要回顧可見，我國的高層建筑發(fā)展快、數(shù)量多，特別是全部150m以上的建筑都在7度、8度抗震設防地區(qū)。面對如此的挑戰(zhàn)，如何精心設計、精心施工，不斷提高高層建筑的抗震設計水平，是一個迫切需要引起廣泛注意、加強研究的艱巨任務，它需要廣大設計、施工、管理人員的共同努力。我國在建筑抗

4、震設計方面已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗，現(xiàn)行國家規(guī)范建筑抗震設計規(guī)范及行業(yè)規(guī)程鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構設計與施工規(guī)程與78規(guī)范及79規(guī)程相比，有了很大的進步?，F(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的抗震設計方法已經(jīng)為廣大工程技術人員所掌握。但是，隨著我國高層建筑的發(fā)展，國家經(jīng)濟實力的提高，個人財產(chǎn)的增多，我國高層建筑結(jié)構抗震設計有許多新的問題需要研究解決。本文僅就其中幾個問題提出一些看法。2材料與體系我國150m以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構體系，都是其它國家高層建筑采用的主要體系。但國外、特別在地震區(qū)，是以鋼結(jié)構為主，而在我國鋼筋混凝土結(jié)構及混合結(jié)構占了90。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構及混合結(jié)構，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考

5、驗。在前30幢建筑中，17幢外框架核心筒結(jié)構中的1l幢采用外鋼框架和混凝土核心筒的混合結(jié)構，大部分建在上海，最高的是深圳地王大廈。國外很少采用這種混合結(jié)構，在抗震結(jié)構中更少見；國內(nèi)工程界對這種體系的看法不一，爭論較大。采用這種體系的主要原因是比鋼結(jié)構的用鋼量少，又可減小柱子斷面，常常為業(yè)主所看中?；旌辖Y(jié)構的鋼筋混凝土內(nèi)筒往往要承受80以上的地震層剪力，有的高達90以上。由于結(jié)構以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構的位移限值為基準(或適當放寬)n1；由于內(nèi)筒的高寬比很大(約為1012)，其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構的負擔，而且效果不大，

6、有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結(jié)構、形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；為了安全起見，規(guī)程要求框架承擔剪力不小于底部剪力的25，這也會使鋼材的用量加大；混凝土筒的軸向壓力隨高度增大而增大，為保證其延性，可能要加大筒壁的厚度和配筋，因而用鋼量也會相對上升。此外，由于鋼筋混凝土內(nèi)筒與鋼柱的豎向變形性能不同，由徐變、溫度等因素會引起結(jié)構附加內(nèi)力；在構造上，有一些結(jié)構為了增加結(jié)構剛度而將樓板鋼粱與混凝土內(nèi)筒做成剛接，這不僅增加施工困難，而且鋼與混凝土的連接節(jié)點可靠性較差，要保證兩個加工精度相差懸殊的構件按設計要求連接是不容易的，一般并不能保證剛接。采用混凝土核心筒，可以節(jié)省一些鋼材，但是究竟能節(jié)省

7、多少，還要做進一步分析。而我國當前的國情，已經(jīng)不是結(jié)構材料越省越好的年代。對混合結(jié)構的抗震性能以及為改善其性能需要采取的措施要有充分認識。例如，高度為3040層的結(jié)構，其內(nèi)筒與外框側(cè)向變形性能的差別和豎向變形差相對容易協(xié)調(diào)，為保證內(nèi)筒剪力墻的塑性變形能力的軸壓比限值也較容易得到滿足(或剪力墻不至太厚)，采用這種體系有其合理性；而對層數(shù)更多的高層建筑，則需要謹慎的設計，其合理性及所采取的措施都需要認真論證。此外，這種體系的內(nèi)筒宜采用鋼骨混凝土剪力墻，以便使鋼梁與鋼骨有可靠連接。在高層建筑中采用外框架一核心筒體系時，為減小側(cè)移，通常需要設置伸臂結(jié)構，形成加強層。在結(jié)構體系或柱距變化時，需要設置結(jié)構

8、轉(zhuǎn)換層。加強層及轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導致結(jié)構剛度突變，常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構件剪力突然加大，加強層伸臂構件或轉(zhuǎn)換層構件與外框架柱連接處很難實現(xiàn)強柱弱梁。因此，在需要設置加強層及轉(zhuǎn)換層時，要慎重選擇加強層及轉(zhuǎn)換層的結(jié)構形式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。斜撐桁架或簡單的斜撐桿(要注意平衡其拉壓力)優(yōu)于實腹梁，在抗震結(jié)構中采用厚板作轉(zhuǎn)換層對抗震是十分不利的。我國的筒中筒體系主要采用鋼筋混凝土結(jié)構，這在國外地震區(qū)是很少見到的。密柱深梁的鋼筋混凝土框筒實現(xiàn)梁鉸屈服機制有一定困難。因此，當采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構時，必須充分注意框筒是否能真正實現(xiàn)梁鉸機制，是否能確保框筒的延性要求

9、。順便指出，為了方便設計，規(guī)范或規(guī)程中給出的強柱弱梁、強剪弱彎以及剪壓比等設計條件有某種程度的簡化，需要結(jié)構工程師對不同情況作出具體分析和判斷。在高層建筑中，應注意結(jié)構體系及材料的優(yōu)選。現(xiàn)在我國鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，建筑鋼材的類型及品種也在逐步增多，鋼結(jié)構的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構、鋼結(jié)構，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構的抗震性能。在超過一定高度后，由于鋼結(jié)構質(zhì)量較小而且較柔，為減小風振而需要采用混凝土材料，鋼骨(鋼管)混凝土，通常做為首選。日本阪神地震震害說明，在鋼骨混凝土構件中，采用格構式的型鋼時，震害嚴重，采用實腹式的大型型鋼或焊接工字鋼的

10、，則震害輕微。因此，在高層建筑結(jié)構中，若用鋼骨混凝土構件，建議采用后者。 3構件變形能力與軸壓比 在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構中，往往為了控制柱的軸壓比而使柱的斷面很大，而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋，即使采用高強混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。這是廣大設計人員在設計混凝土材料為主的結(jié)構中遇到的現(xiàn)實問題。 柱的軸壓比問題實際是柱的塑性變形能力問題，構件的變形能力會極大地影響結(jié)構的延性。眾所周知，若柱處于小偏壓受力狀態(tài)，由于是混凝土壓碎喪失承載能力，塑性變形能力很小。規(guī)范規(guī)定的三級抗震框架柱的軸壓比限值(09)，約為對稱配筋柱的大小偏壓的界限。放寬軸壓比限值的代價是降低柱的延性。但是有兩種情況值得澄清

11、：(1)在框架中若能保證強柱弱梁設計，且梁具有良好延性，則柱子進入屈服的可能性大大減少，此時可以放松軸壓比限值；(2)許多高層建筑底部幾層柱雖然長細比小于4，但并不一定是短柱，因為確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比，只有剪跨比MVh、<2的柱才是短柱，長細比小于4的柱其剪跨比不一定小于2。此外，即使能調(diào)整軸壓比限值，其增大也是很有限的，也就是說，鋼筋混凝土柱斷面并不能由于略微增大軸壓比限值而顯著減小。因此，在抗震的超高層建筑中采用鋼筋混凝土柱是否合理值得商榷。 在抗震的超高層建筑中，采用鋼骨混凝土結(jié)構是有利的，它不僅能減小柱斷面，減小剪力墻厚度，還可以使結(jié)構具有良好的抗震能力。國內(nèi)已有許多

12、研究和工程實踐，并已制定了我國自己的鋼骨混凝土結(jié)構設計規(guī)程，預期部分采用鋼骨混凝土結(jié)構的高層建筑會逐步增多。采用鋼管混凝土柱也是減小柱斷面的有效措施，也已有一些工程實踐及有關設計規(guī)程，但鋼筋混凝土梁與鋼管柱的連接節(jié)點構造及其傳力性能，還有待進一步的研究和發(fā)展。 4彈塑性時程分析與彈塑性靜力分析在罕遇地震作用下，抗震結(jié)構都會部分進入塑性狀態(tài)，為了滿足大震作用下結(jié)構的功能要求，有必要研究和計算結(jié)構的彈塑性變形能力。當前國內(nèi)外抗震設計的發(fā)展趨勢，是根據(jù)對結(jié)構在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進行設計，結(jié)構彈塑性分析將成為抗震設計的一個必要的組成部分。但是由于結(jié)構彈塑性分析的復雜性，在如何

13、進行計算和如何設定具體要求的問題上，各國的做法也有所不同。我國現(xiàn)行抗震設計規(guī)范提出了驗算罕遇地震作用下結(jié)構變形的要求，即所謂的二階段設計，但是規(guī)范要求進行驗算的結(jié)構類型較少。當前，進一步明確彈塑性計算的要求，作出一些具體規(guī)定，使彈塑性計算成為可操作，對于提高我國高層建筑的抗震設計水平是十分必要的。結(jié)構彈塑性分析可分為彈塑性動力分析(時程分析)和彈塑性靜力分析(推力計算)兩大類。彈塑性動力分析，也就是彈塑性地震反應分析，始于50年代。在多地震的日本，高層建筑的發(fā)展與彈塑性地震反應分析是分不開的，武滕清教授在這方面的貢獻不可磨滅。近年來，美國和歐洲的一些多地震國家，彈塑性時程分析也已提上抗震設計日

14、程；70年代以來，我國廣大研究和設計人員進行了大量工作，已經(jīng)開發(fā)出一些可以應用于工程設計的程序。包括彈塑性靜力分析，層模型動力分析，桿模型平面結(jié)構動力分析等。彈塑性時程分析是輸入地震波、直接計算結(jié)構的地震反應的分析方法，采用桿模型、層模型等簡化的結(jié)構的計算模型。由于考慮了結(jié)構構件的彈塑性性能，結(jié)構的剛度不斷變化，通過逐步積分，可以得到結(jié)構各質(zhì)點的位移、速度和加速度時程。桿模型計算的優(yōu)點是可以得到桿件狀態(tài)隨時間的變化過程，也可得到各樓層的反應。但是耗時多，計算昂貴，結(jié)果數(shù)據(jù)量大而且分析比較繁冗，在國外也極少采用。在日本，日常設計主要采用層模型作多條波分析，只是在某些必要情況下，再挑選出合適的地震

15、波進行桿模型地震反應計算。層模型計算能得到各樓層的反應，例如層剪力、樓層側(cè)移和層間轉(zhuǎn)角、層間位移延性比等，它主要是從宏觀上即層間變形檢驗結(jié)構在大震作用的安全。層模型計算的數(shù)據(jù)相對較少，適宜于進行宏觀檢驗，也便于計算多條地震波作用。彈塑性靜力分析采用空間協(xié)同平面結(jié)構模型或三維空間模型；每個構件(梁、柱、墻)都根據(jù)其截面尺寸、配筋及材料確定其彈塑性力一變形關系；在結(jié)構上施加某種分布的樓層水平荷載，逐級增大；隨著荷載逐步增大，某些桿端屈服，出現(xiàn)塑性鉸，直至塑性鉸足夠多或?qū)訂栁灰平亲銐虼?，計算結(jié)束。由彈塑性靜力分析，可以了解結(jié)構中每個構件的內(nèi)力和承載力的關系以及各構件承載力之間的相互關系，檢查是否符合

16、強柱弱梁(或強剪弱彎)，并可發(fā)現(xiàn)設計的薄弱部位，還可得到不同受力階段的側(cè)移變形，給出底部剪力頂點側(cè)移關系曲線以及層剪力一層問變形關系曲線等等。后者即可作為各樓層的層剪力一層間位移骨架線，它是進行層模型彈塑性時程分析所必需的參數(shù)。只要結(jié)構一定(尺寸、配筋、材料)，其結(jié)果不受地震波的影響，而與初始樓層水平荷載的分布有關。這種方法在現(xiàn)階段比較現(xiàn)實，也易于為工程設計人員所掌握。這種方法可以從細觀上(構件內(nèi)力與變形)和宏觀上(結(jié)構承載力和變形)了解結(jié)構彈塑性性能，既可得到有用的靜力分析結(jié)果，又可很方便地進行動力時程分析。從計算模型上看，彈性分析的計算模型經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，才由簡化的平面結(jié)構發(fā)展到

17、空間協(xié)同、由空間協(xié)同再發(fā)展到空間分析，逐步接近實際，目前有些程序還可以將樓板變形引入計算，但應用尚少。而彈塑性分析比彈性分析要復雜得多，也必然有一個發(fā)展的過程。盡管層模型與三維空間模型相比，簡化較多，也不宜用層模型計算復雜的結(jié)構，但是正如彈性分析中平面結(jié)構在歷史上曾經(jīng)采用了多年、起到了很積極的作用一樣，彈塑性靜力計算及簡化模型的動力計算在現(xiàn)階段是可以做到、而且在定量分析上是有積極意義的，在應用過程中也會逐步完善；就是現(xiàn)在，采用空問協(xié)同或空間模型進行彈塑性靜力分析已經(jīng)沒有困難?？偠灾?，彈塑性靜力分析，或與彈塑性動力分析相結(jié)合、互為補充的分析方法，在現(xiàn)階段是可行的。它只有在工程實踐中，隨著廣大工

18、程人員的普遍應用和研究人員的不斷努力，才能逐漸成為抗震設計的一種必要手段。5基于位移的結(jié)構抗震設計我國現(xiàn)行的結(jié)構抗震設計，是以承載力為基礎的設計。即：用線彈性方法計算結(jié)構在小震作用下的內(nèi)力、位移；用組合的內(nèi)力驗算構件截面，使結(jié)構具有一定的承載力；位移限值主要是使用階段的要求，也是為了保護非結(jié)構構件；結(jié)構的延性和耗能能力是通過構造措施獲得的。雖然，構造措施是為了使結(jié)構在大震中免遭倒塌，但設計人并不掌握結(jié)構在大震中的實際性能。 90年代中，美國學者提出了基于位移的抗震設計(DisplacementBased Design，簡稱DBD)，這是一種全新概念的結(jié)構抗震設計方法。DBD是實現(xiàn)基于功能的抗震

19、設計(PerformanceBased Design，簡稱PBD)的重要步驟。它比現(xiàn)行抗震設計方法中強調(diào)的概念設計更進了一步，它要求有量化的設計指標。 歷次震害表明，結(jié)構破壞、倒塌的主要原因是變形過大，超過了結(jié)構構件能承受的塑性變形能力?；谖灰频目拐鹪O計要求進行定量分析，使結(jié)構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求。預期的地震作用一般是指大震。因此除了驗算構件的承載力外，要控制結(jié)構在大震作用下的層問位移角限值或位移延性比；根據(jù)構件變形與結(jié)構位移關系，確定構件的變形值；并根據(jù)截面達到的應變大小及應變分布，確定構件的構造要求。 確定結(jié)構在大震作用下的層間位移角限值，是DBD的重要內(nèi)容，實質(zhì)就

20、是確定允許的結(jié)構震害程度或確定地震后結(jié)構能保持的使用功能目標。不同的震害程度或功能目標，可以作出不同的設計結(jié)果。若期望大震后建筑結(jié)構能立即使用或略加修理就能使用，位移角限值要嚴一些，相應的構件尺寸或構件配筋會大一些；若允許結(jié)構在大震中破損，位移角限值可放松，則設計結(jié)果會與前者不同。我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定鋼筋混凝土框架結(jié)構在大震作用下的層問位移角限值為150，這時，柱已經(jīng)難免出鉸，結(jié)構破壞嚴重，喪失了繼續(xù)使用的功能，僅能維持不倒塌。 鋼筋混凝土結(jié)構能達到的層間位移角能力以及層間位移角與結(jié)構破壞程度的關系，與構件塑性鉸區(qū)截面的變形能力有關；截面的曲率延性，即彎曲變形能力，主要取決于相對受壓區(qū)的高度(由軸壓比、配筋等決定)以及混凝土的極限壓應變；混凝土能達