高层建筑的概念设计.doc

1、北京市中级专业技术资格评审申报论文 第-8-页浅谈高层建筑钢筋混凝土结构概念设计随着社会经济的发展，高层建筑越来越普遍，笔者从事建筑工程结构设计工作九年，做过一些高层混凝土建筑，但是本人认为，在电算化日趋简单、方便的时代，高层建筑的概念设计凸显重要。我国处于欧亚板块和太平洋板块边缘，是个多地震国家，我国建筑抗震设计规范规定，抗震设防烈度为6度和6度以上地区内的建筑结构，应当抗震设防。我国设防烈度为6度及6度以上地区约占全国总面积的60%。我国建造高层建筑的大城市几乎都在抗震设防范围内，因此，高层建筑结构的抗震设计是高层建筑设计的重要组成内容。一、地震作用的随机性决定概念设计的重要性地震作用影响

2、因素极为复杂，是一种随机的，尚不能预见和准确计算的外部作用，目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法，抗震结构的设计应该是综合概念设计、计算和构造措施等完整的系列设计。正是由于地震的不可预见性及地震作用的不确定性，抗震设防的结构必须要重视概念设计。概念设计涉及的面很广，从方案、结构布置到计算简图的选取，从截面配筋到构件的配筋构造等都存在概念设计的内容。概念设计是相对于量化的计算而言，通过力学规律、震害教训、试验研究、工程实践实验等建立设计概念、设计对策和措施，它比量化计算更能有效的从宏观上处理好结构的安全问题，特别是抗震安全。对于整个结构设计，概念设计与计算相辅相成，但是由于地震的不确

3、定性，必要有概念设计作引导和判断；计算设计常常是在概念设计的指导下完成。二、结构的概念设计2.1、结构变形的控制高层建筑的抗震设计，要将结构的变形限制在规范许可的范围内。控制变形，就要使结构有足够的刚度，设置部分剪力墙的结构有利于减小结构变形和提高结构承载力；此外，结构振动和变形还与场地土的卓越周期有关，当结构的自振周期和场地土的卓越周期接近时，建筑物的地震反应就会加大，无论振动变形还是地震力都会加大，所以设计时应使结构的自振周期偏离场地的卓越周期，较理想的结构是自振周期比场地的卓越周期更长，如果不可能，则应使其比场地的卓越周期短的较多，因为在结构出现少量裂缝后，周期会加长，要考虑结构进入开裂

4、和弹塑性状态时，结构自振周期加长后与场地卓越周期的关系，因此，在进行较高的高层建筑设计前，应了解场地土动力特性的勘测资料。2.2、结构平面布置宜刚度均匀，减少扭转抗震结构平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂平面，但是，更重要的是结构平面布置时要尽可能使平面刚度均匀，所谓平面刚度均匀就是“刚心”与质心靠近，减少地震作用下的扭转。扭转对结构的危害很大，减少结构扭转引起的破坏一般从两个方面入手，一是减少地震引起的扭转，二是增加结构抵抗扭转的能力。平面刚度是否均匀是地震是否造成扭转破坏的重要原因，而影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙布置，剪力墙集中布置在结构平面的一端是不好的，大刚度抗侧力单

5、元偏置的结构在地震作用下扭转大，对称布置剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙，或周边布置刚度很大的框筒，都是增加结构抗扭刚度的重要措施，有利于抵抗扭转。为了减少地震作用下的扭转，还要注意平面上的质量分布，质量偏心会引起扭转，质量集中在周边也会加大扭转。2.3结构沿竖向刚度宜均匀，避免软弱层，减少鞭梢效应结构宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的体型，更重要的是结构的抗侧刚度应沿高度均匀，或沿高度逐渐减小。竖向刚度是否均匀，也主要涉及剪力墙的布置。框支剪力墙是典型的沿结构刚度突变的结构，它的主要危险在于框支层的变形大，框支层总是表现为薄弱层，全部由框支剪力墙组成的结构几乎不可避免地遭受严重震害

6、。通常引起竖向刚度不均匀的情况还有：在某个中间楼层抽去剪力墙，或在摸个楼层设置刚度很大的实腹梁作为加强或转换构件（结构加强层或转换层），楼层的刚度突然减小或突然加大都会使该层及其附近楼层的地震反应（位移和内力）发生突变而产生危害。由于建筑物立面有较大的收进或顶部有小面积的突出小房间造成建筑立面体型沿高度变化，或者为了加大建筑空间而顶部减少剪力墙等，都可能使结构顶部少数层刚度突然变小，这可能加剧地震作用下的鞭梢效应，顶部的侧向甩动变形过大也会使结构遭受破坏。通常在上部较为柔软的塔楼下面设置大底盘也可能由于鞭梢效应而加大上部塔楼的地震反应。在方案阶段要采取措施，当大底盘高度占总高度的比例较大（楼层

7、多）时，容易加大鞭梢效应，宜尽量减少下部大底盘和上部塔楼的刚度差；在计算时多取振型数可使计算结果反映出鞭梢效应的影响；一方面采取措施减小鞭梢效应，另一方面构件设计也要有响应措施，例如在鞭梢效应大的部分楼层加大设计内力，加大它们的承载力等。2.4预先估计结构的破坏形态，调整承载力以加强或消弱某些部位结构各层的承载力自下而上均匀地减小，减小的幅度应符合地震作用的内力包络图，避免出现承载力薄弱层。应当注意的是，由于地震作用下构件内力是通过振型组合得到的，振型组合使构件内力丧失平衡关系，不能只盲目地按照内力组合结果配置钢筋，而应当从概念设计角度均衡上下各层构件承载力，使其自下而上均匀地减小，避免出现中

8、间某一层承载力突然减小的情况。要尽可能预见所设计结构的可能破坏部位，在复杂结构中更是要通过概念分析和结构计算估计受力不利部位和薄弱部位。例如强柱弱梁就是设计时一种有意识的控制，是尽可能使框架按有利于抗震的梁铰机制设计构件屈服次序的措施；有些部位可提高承载力，甚至使它在大地震下也不屈服，例如某些框支构件和不允许出现破坏的关键部位。还有些部位宜减弱其承载力，使它早出现塑性铰，以便保护其相邻的重要构件，例如将长度较大的剪力墙用开洞和弱连梁的方法将它断开成长度较短的剪力墙，由于弱连梁容易出铰，长度很大的剪力墙被分割成截面高度较小的、长细比较大的剪力墙，延性容易得到保证。又如，与剪力墙相交、又不在剪力墙

9、平面内的大梁的端弯矩可能使剪力墙平面外受弯，如果将大梁端部配筋减弱，使它提早出现塑性铰，可以减小剪力墙平面外的弯矩和变形，从而保护剪力墙。2.5延性结构和延性构件钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，即在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰；当合理控制塑性铰部位、构件又具有足够的延性时，可做到大震作用下结构不倒塌。高层建筑各种抗侧力体系都是由框架和剪力墙组成的，作为抗震结构都应该设计成延性框架和延性剪力墙。延性结构的塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但作用于结构的惯性力不会很快上升，内力也不会在增大，因此可降低对延性结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力（而不是承

10、载能力）抵抗强烈的地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须用足够大的承载力抵抗地震。而后者会多用材料，对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的，合理而安全的设计。要保证钢筋混凝土结构有一定的延性，除了必须保证梁、柱、墙等构件均具有足够的延性外，还要采取措施使框架及剪力墙都具有较大的延性。2.6设计多道设防结构超静定结构和双重抗侧力体系的概念静定结构，也就是只有一个自由度的结构，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。抗震结构必须做成超静定结构，因为超静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个概念引伸，不仅要设计超静定结构，抗震结构还应该做成多道设防的结构，第一道设

11、防结构中的某一部分屈服或破坏只会使结构减少一些超静定次数，另一部分抗侧力结构仍能发挥较大作用，虽然会发生内力重分布，他们仍然能够共同抵抗地震，多道设防的结构不容易倒塌。建筑结构最好是双从抗侧力体系，它是由两种受力和变形性能不同的抗侧力结构组成，每个抗侧力结构都具有足够的刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接协同工作，共同抵抗外力，特别是在地震作用下，当其中一部分有损伤时，另一部分应有足够的刚度和承载力能够担当共同抵抗后期地震的任务。在抗震结构中设计双重抗侧力体系便于实现多道设防，是安全而可靠的结构体系。2.7重视构件承受竖向荷载的安全结构倒塌往往是由竖向构件破坏造成的，既抵抗

12、竖向荷载、又抗侧力的竖向构件属于重要构件，竖向构件的设计不仅应当考虑抵抗水平力时的安全，更要考虑在水平力作用下出现裂缝或塑性铰以后，他是否能够安全地承受竖向荷载。短肢剪力墙和异形柱在弹塑性阶段是否能持续、安全地承受竖向荷载的问题应该引起设计者注意，在高层建筑中一般不采用异形柱，而短肢剪力墙却是常用的构件。短肢剪力墙是指截面高度较小的单肢剪力墙，通过楼板大梁或弱连梁与其它剪力墙协同工作。当结构中只有个别短肢剪力墙或小墙肢时，他分担的内力很少，即使破坏，也不影响结构的抗侧力能力，也不会使楼板垮塌。但是，当楼层大面积上连续采用短肢剪力墙时，潜在的危险有两方面：一方面是在剪力墙井筒出现问题以后，很弱的

13、短肢剪力墙没有足够的延性和承载力，可能随之破坏：另一方面是短肢剪力墙本身在弹塑性阶段抵抗竖向荷载的能力，短肢剪力墙较多的剪力墙结构中的短肢剪力墙失效，虽然结构仍然可以依靠其它剪力墙或井筒抵抗地震作用，但是承受竖向荷载的楼板将受到严重威胁，有时会发生“连续倒塌”。因此，较大面积地连续布置短肢剪力墙将对弹塑性阶段抵抗地震作用和抵抗竖向荷载造成危险。在具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构中，要采取措施防止局部倒塌和连续倒塌，不但要加强筒体的承载力和延性，还要加强短肢剪力墙的承载力和延性（严格限制轴压比，并提高其竖向荷载承载力以及抗剪能力等），要避免一字型短肢剪力墙平面外与跨度较大的梁连接，要注意强墙弱梁、强剪弱弯的构件设计要求，要推迟或减少短肢墙墙肢的屈服和破坏等。结 论高层建筑日趋普及的今天，作为设计者，要充分认识到概念设计的重要性，要通过力学规律、震害教训、实验研究、工程实践经验等多渠道建立设计概念。只有充分认识和合理设计，才能在危急时刻保障人民生命财产的安全，减少震害造成的损失。-8-