建筑结构 浅谈高层建筑结构抗震概念设计 摘要：本文从高层结构抗震概念设计的基本定义出发，阐述了现代高层建筑结构概念设计的意义和设计原则及方法，以提高结 构整体抗震性能，从而建造出适用、安全、经济、美观的现代高层建筑。 关键词：高层结构；抗震；概念设计 引言 建筑工程的概念设计在我国应成为一个先于建筑工程的初步设计，以功 ４．１建筑体型应力求规则：在进行结构选型时，建筑物的体型应力求简 单、规则、对称、质量和刚度变化均匀．尽量把抗侧力构件从中心布置和分散 布置，改为沿建筑周边或四个角上布置，从而提高结构的抗扭能力。确保减少 能优越、造型美观、技术先进的总体方案为目标的设计阶段。建筑工程的概念 设计一般有建筑方面的概念设计和结构方面的概念设计两大部分，它们之间 相互影响、相互协调、相互结合。而结构方面的概念设计其中一个重要的组成 部分就是建筑的抗震概念设计，这在高层建筑中表现尤为突出。 建筑抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原 则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计 涉及从方案、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都 存在概念设计的内容。强调结构概念设计的重要性，旨在要求建筑师和结构 设计师在建筑设计中应特别重视规范、规程中有关结构概念设计的各条规 定，设计过程中不能陷于只凭“结构软件计算”的误区。若结构严重不规则、整 体性差，则按目前的结构设计及计算技术水平彳艮难保证结构的抗震、抗风性 能，尤其是抗震性能。现结合工作的实践经验在以下几个方面浅谈一下结构 抗震概念设计的基本原则概念设计的定义、意义及一般原则，并从高层建筑 的抗震抗风设计和延性设计两方面提出对高层结构抗震的措施，指出高层建 筑在抗震设计中应处理得当，以取得理想结果。 １．概述 地震是一种突发性的自然灾害，也是一种突发性的随机振动。在地震最 初几秒钟内地震加速度达到峰值，它们对高层建筑的影响不大，但地震将近 结束时，地面运动的周期有可能接近高层建筑的基本周期，它的影响就会很 大。另外地运动的强度又随震中距加大而减小，其中高频分量的衰减较低频 分量快，这对高层建筑设计是一个重要因素，尽管高层建筑所处震中距较大， 但是有时会比当地底层建筑承受的地震作用要大。面对地震作用的不确定因 素很多，简单的依靠数值计算得出的结果不能充分解决现实中的抗震问题。 到目前为止，抗震设计包括结构的概念设计、计算设计和构造设计三大部分。 而抗震计算设计的计算模型与计算理论还未达到令人满意的程度，单纯依靠 计算并不能保证结构具有可靠的抗震安全度：应用概念设计进行建筑结构总 体布置并确定基本的抗震措施对高层结构的抗震设计来说是十分重要的。 ２．概念设计的定义 所谓概念设计是相对于数值设计而言的，其着眼于结构的总体地震反 应，可以理解成运用人的思维和判断能力，从宏观上决定结构设计中的基本 问题。抗震概念设计是根据地震震害和工程经验所获得的基本设计原则和设 计思想，进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。 ３．概念设计的意义 由于地震作用的随机性、复杂性、间接性和偶然性，尤其在高层建筑中结 构自振周期、材料性能、阻尼变化和基础差异沉降等因素的影响，使结构在地 震作用下表现出极大的复杂性和计算假定与实际情况的不符，且目前各国所 制定的抗震设计规范差异较大，甚至反映在定性分析上其结论完全相反，使 计算结果差距很大。因此，仅仅靠结构分析计算往往不能满足结构安全性、可 靠性的要求，不能达到预期的设计目标。从某种意义上来说，结构概念设计比 结构分析计算更为重要。 ４．概念设计的一般原则 高层建筑结构水平荷载是控制结构内力和变形的决定性因素，因此除考 虑建筑功能要求外，结构单元抗震侧力结构的布置宜规则、对称，受力明确，力 求简单，传力合理，传力途径不间断，并应具有良好的整体性，其大致应包括以 下几点。 地震时地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应。 ４．２结构应具有明确的传力途径：建筑结构体系应具有明确的计算简图 和合理的地震作用传递途径，竖向传力体系设计的建筑空间形态是由结构传 力体系支撑的：传力体系的剖面形式，直接反映结构沿竖直方向传递荷载的 路径，也关系到建筑物的使用性能。对于高层抗震来讲首先应注意控制建筑 的高宽比和高层建筑的抗侧力结构刚度，尽量避免竖向上刚度发生突变的现 象。在由于使用要求而造成刚度变化特别大或结构布置发生变化时，则应设 置结构转换层。 ４．３结构构件连接应可靠：抗震结构的各类构件之间要有可靠的连接。只 有通过可靠的连接才能充分发挥各构件的承载能力和变形能力，从而使整个 结构获得更好的抗震性能。抗震支撑系统，应能在地震时保证结构稳定。 ４．４考虑非结构构件对主体的影响：在抗震设计中，处理好非承重结构构 件与主体结构之间的关系，可防止附加震害，减少损失。因此，在处理上，附属 结构构件应与主体结构有可靠的连接或锚固，避免倒塌伤人或砸坏重要设 备。 ４．５结构体系应具有多道抗震防线：一个抗震结构体系应由若干个延性 较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架一剪力 墙结构、框架～核心简结构。结构体系应具有多道抗震防线才能避免因部分构 件破坏导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力。总之，充分掌握实 现理想的建筑结构整体破坏机制。正确布置结构形式、掌握塑性铰出现的位 置结构的破坏机制和握化历程的概念，对建立抗震多道防线是很重要的。 ５．高层建筑的抗震抗风设计 高层建筑的突出特点是高度高。根据一般的力学分析结果可知，高层建 筑在均布水平荷载的作用下，竖向平面结构构件的弯矩与建筑的总高度呈二 次方关系，侧移与总高度呈四次方关系，因此，高层建筑结构在承受竖向荷载 的同时，抵御水平荷载，控制侧移，减少建筑在风荷载和地震作用下的摇晃和 振动是高层建筑设计的决定性因素。增强高层的抗震抗风设计，可加大柱子 截面、增加抗震墙到适量最能加强结构抗侧刚度。结构应在竖向平面内合理 布置斜向支撑，形成组合桁架式结构是减小高层建筑侧移的既有效又经济的 方法。 ６．结构的延性设计 在建筑抗震概念设计中，结构延性设计也是高层结构概念设计的一个重 要内容，结构的整体性与延性主要依靠构造措施给予控制和保证。在延性设 计中应努力做到“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点强锚固”、“强拉弱压”的设 计要求。在设计中，也可以通过提高各个构件的延性来提高整体结构的延性。 在设计上为提高梁的延性一般可采取的措施：梁上配置适量的受压钢筋；选 取合适的梁断面；采用现浇结构，提高混凝土等级；加密粱的箍筋。在设计上 为提高柱的延性一般可采取的措施：严格控制柱的轴压比；２）尽量选取剪跨 比较大的长柱；设计中应尽量避免采用短柱；尽量使柱受力处于大偏心受压 状态；加密柱箍筋，采用复合箍筋；采用钢管混凝土柱、分体柱。 ７．注意地震的减灾技术。进行隔震和消能减震设计 隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效措施。隔震体系通过延 长结构的自振周期能够减少结构的水平地震作，从而消除或有效地减轻结构 和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性。增加 了建筑物继续使用的功能。采用消能减震的方案，通过消能器增加结构阻尼 来减少结构在风作用下的是公认的事实，对减少结构水平和（下转第６Ｏ页） 。５７ ｄ日口母 建筑结构 中柱设置系杆往往受到厂房使用功能的限制，在可能的情况下，梁柱截面尽 还有很多需要完善和研究的地方。我们作为设计人员，只有充分理解该类结 量不要南平面外稳定控制，否则设计一般不太经济。而则性系杆大小应通过 构的设计概念，才能使结构设计既经济合理，又安全可靠，也才能促进我国钢 稳定验算决定。 结构行业的全面发展。 参考文献： 屋面、墙面檩条的下翼缘在风吸力组合作用下受压时，拉条宜在檩条的 上、下翼缘附近适当布置，可通过其稳定计算满足即可。此时檩条下翼缘侧向 计算长度取其跨度。当屋脊及檐口处采用双檩时，经核算满足受压稳定要求 后，可以取消此处的刚性系杆，让檩条作为传递纵向水平力的压杆，但在有垂 直支撑处，仍需设置刚性系杆。 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２：２００２） 《冷弯薄壁型铜结构技术规范》（ＧＢ５００１８—２００２） 《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３） 三、小结 门式刚架轻型房屋钢结构在我国应用已经很广泛，技术也日趋成熟，但 （上接第５５页）的影响程度进一 步提高。 从振型图中可以看出，第２ 《轻型钢结构设计规程》（ＤＢ１（）８—６８—９７） 《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规范》（ＴＧＪ一８２—９１） 组合数的选取进行了明确。图７表明要达到规范规定的有效质量系数不低于 ９０％的规定，单塔的框架一多筒结构需像多塔结构一样选用更多的计算振型。 阶振型为Ｙ向的平动振型，伴随 平动的同时简体之间存在明显 错动。与框架一单筒结构不同，第 ５、９Ｄ振型多筒结构存在着两筒 的同向振型和反向振型。如同多 图６各阶振型底层剪力比重 塔结构，在对称双塔结构中表现 为反对称振型和对称振型，在水 第２阶振型 第５阶振型 第９阶振型 图７结构局部振型图 纛 平地震作用下，由于对称振型的 图８不同结构振型有效质量系数 振型参与系数为零，因此，多筒 之间的反向振型减弱了该振型 ５结论 从本文的分析可知，多筒结构由于筒体之间振动的耦合作用，其自振振 型较为复杂，存在同向振型和反向振型。因此，对结构进行反应谱分析时，振 型组合数的选取不能套用一般框架核心筒结构的规律，宜根据振型参与质量 百分比进行组合振型数的确定。多筒结构的扭转振型丰富，在地震作用下，可 能会产生较大的扭转效应。反向错动振型的振型参与系数较小，但对局部协 调简体之间共同工作的构件，受力较为复杂，设计时应采取必要的加强措施。 参考文献 对基底剪力的贡献，从而降低了 Ｙ方向第１阶平动振型对结构地 震响应的贡献。 对比结构整体振动可知，由 于框架一多筒结构低阶振型中增 加ｒ各核心筒自身振动以及相互错动的振型。单筒结构在高阶振型中会出现 相互间振型的耦合并伴有平动和扭转振动形态的耦合，但耦合不强。多筒之 ［１１娄宇，程辉大底盘上对称多塔楼高层建筑的振动分析卟建筑结构，２００１，３１ 间的相互作用明显，在高阶振型中平动与扭动的振型耦合加强，其扭转振型 （４）：１３－－１５ 更加丰富。 【２］王能举畅君文某大底盘不对称双塔结构的抗震动力分析与设计实践， 对于复杂高层结构，其高阶振型的影响往往是不可忽视的，我国现行规 ２００１，３１（４）：３６—３９． 范 都是以所取振型数的有效质量和达到９０％总质量为原则。有效质量系数 ［３】郑毅敏，刘永璨，盛荣辉，阮永辉，陆燕，王建峰杭州市民中心多塔连体结 能较好的说明各阶模态对结构动力响应的贡献，ＰＫＰＭ、ＥＴＡＢＳ均采用有效质 量系数作为判断振型数是否足够的指标。图８为本工程与工程Ａ典型框架核 心筒结构振型有效质量系数。在多筒连接方向（）（向），相同振型数时本工程有 效质量系数低于单筒结构；在另外方向 向），多筒结构第二阶（Ｙ向第一阶）质 量参与系数仅有０．４２，前几阶振型质量系数集中度低于单筒结构。这与上面 的振型分析是吻和的。文献【 对单塔结构、对称双塔以及不对称双塔结构振型 构设计研究［１１ｌ建筑结构，２００９，３９（１）：５４—５８ 【４】张春浓，徐斌．凯晨广场多塔连体结构设计研究Ｕ１建筑结构，２００８，３８（１）： ９６－１００ 【５］ＧＢ５００１卜２００１建筑抗震设计规范【ｓ１北京：中国建筑工业出版社，２００２． １６ＵＧＪ３—２００２高层建筑混凝土结构技术规程【Ｓ１．北京：中国建筑工业出版社， ２００２ （上接第５６页）５防腐设计 防腐设计中的重点是要了解钢结构防腐蚀环境：即钢结构处于什么样的 应用范围，然后从轻型钢结构体系的选择、构件设计、节点设计、防腐设计等 几个方面探讨了轻型钢结构如何应用到工业建筑设计中，并且提出了在设计 中，应注意的一些问题。目前国内轻型钢结构在工业建筑中的应用研究水平 与国外相比还有一定的差距，希望国内在此方面多做研究，更好的服务于社 会发展。 参考文献： ｌ１Ｊ邱国桦国内外轻型钢结构应用发展概况ｒＩ１．施工技术，２００９，２８（８）：３－５ 腐蚀环境下，包括一般大气环境、工业大气腐蚀环境、化工大气腐蚀环境、海 洋大气腐蚀环境、热带或寒带地区、室内还是室外、有无液体或其它气体介质 一（大气除外）腐蚀等等。依据防腐蚀的环境及最低除锈等级来选择防腐涂层。 般应由底漆、中间漆和面漆组成，选择涂料时应考虑漆与除锈等级的匹配， 以及底漆与面漆的匹配组合。 【２］李海峰轻型钢结构建筑发展探讨 青海科技，２００４，（２）：３２—３５ 结语： 综上所述，本文首先简单介绍了轻型钢结构应用在工业建筑中的优点及 （上接ｇ５７，）竖向地震反应也是有效的。 【３１舒赣平轻型钢结构民用与工业建筑设计ｆＭ１．北京：中国电力出版社，２００６ ｆ４弓晓芸建筑用压型钢板的生产及应用ｆ４］Ｐ－］中国钢铁年会，２０１０ 『５１４￣１网架结构设计．图集号０７ＳＧ５３１．２００７ 行必要的加强处理。 概念设计需要结构工程师和建筑师的密切配合与合作，做的“功能、结 构、美观、建筑的统一”是概念设计的最高追求。 总之，高层建筑在抗震设计上存在许多问题，只有正确应用抗震设计概 参考文献 念，处理得当，才会取得较为理想的结果。而且，对于复杂体型的高层建筑，应 …１罗福午，张惠英，杨军编著《建筑结构概念设计及案例》 ２】《建筑抗震设计规范》ＧＢ５０ｏ１卜２叭０ 该运用弹塑性时过程分析法对结构进行二次验算，检查存在的薄弱部位并进 ［８．结束语 ・６Ｏ・