关于低温度地区的高层建筑结构抗震概念设计

摘要：高层建筑结构设计中应注重概念设计，重视结构的选型和平、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系，加强构造措施。在抗震设计中，应保证结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性。因此，本文分析了关于在低温度地区高层建筑结构设计中的结构抗震概念设计。

关键词：高层建筑；结构设计；设计特点；结构体系；抗震概念设计

Abstract: In the structure design of high-rise building should pay attention to concept design, attached to the structure type selection of peace, elevation layout rules, merit-based selection of seismic and wind resistance performance is good and the economic and reasonable structural system, strengthen the construction measures. In aseismic design, it should ensure that the overall structure of the seismic performance of the structure has the necessary capacity, stiffness and ductility. Therefore, this paper analyzes the low temperature region in the structure design of high-rise building structure seismic concept design.

Key words: high-rise building; structure design; design features; structural system; seismic concept design

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

1、高层建筑结构设计特点

1.1水平荷载成为决定因素

（1）因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；

（2）对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2 轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

1.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

1.4 结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

2、高层建筑的结构体系

2.1 框架―剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架―剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架―剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架―剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

2.2 剪力墙体系

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架―剪力墙体系。

2.3 简体体系

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体―框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，多应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

3、低温度地区高层建筑结构设计中的结构抗震概念设计

3.1场地条件和场地土的稳定性

根据房屋震害的直接原因，选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施；不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。避免因地基土的不均匀沉陷、地震引起的地表错动与地裂等引起结构的破坏。

3.2建筑设计和建筑结构的规则性

建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。不规则的建筑，在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。

3.3结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求

单从抗震角度考虑，作为一种结构材料应轻质、高强、材质均匀；构件间的连接应有良好的整体性、连续性及延性，且能发挥材料的全强度。按照这一原则，不同材料结构的抗震性能优劣排序是：钢结构；型钢混凝土结构；混凝土- 钢混合结构；现浇钢筋混凝土结构；预应力混凝土结构；装配式钢筋混凝土结构；配筋砌体结构。采用哪一种结构材料，什么样的结构体系,经技术经济条件比较综合确定，以保证经济性的情况下使结构具有必要的抗震性能，同时力求结构的延性好、强度与重力比值大、匀质性好、正交各向同性,尽量降低房屋重心,充分发挥材料的强度,并提出了结构两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近的抗震概念。对结构体系及结构分析应符合《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001） 中3.5、3.6 条规定，本文不再赘述。我这里重点强调的是结构的整体性和延性。 传统意义上的抗震结构体系，是指依靠结构的整体承载能力和变形能力来吸收和耗散地震能量，从而使建筑物免于倒塌。所谓整体性是指结构在整个承受地震作用的过程中(不论在弹性工作阶段或结构部分进入塑性并形成塑性铰机制阶段) 各结构构件都能协同工作，保持对竖向荷载的支承能力，它是抗倒塌的必要条件。结构的延性是相对于脆性而言，结构的脆性破坏都具有突发性，不可恢复性，而延性破坏往往有一个时间过程，并是可恢复的。延性表现了结构耗散能量的大小，经实验证明结构延性破坏所消耗的能量大于结构脆性破坏所消耗的能量，因此延性结构是有利于抗震的。防倒塌是建筑物抗震设计的最低要求，也是抗震设防最重要的必须得到确实保证的要求。房屋破坏的根本原因是结构的某些构件破坏结构丧失整体性变成了机动构架，因此结构的超静定次数愈多，进入倒塌的时间过程就越长。从耗散地震能量的角度出发，结构每出现一个塑性铰，就可吸收和耗散一定的地震能量，在整个结构变成机动构架之前，若能够出现的塑性铰愈多，耗散地震输入的能量也就愈多，就更能经受住较强的地震而不倒塌。故在选择抗震体系时应尽量采用超静定次数多的结构，并采取一定的构造措施保证合适的塑性铰的形成。选型上框架优于排架，刚接框架优于半刚接或铰接框架；并联的多肢抗震墙优于并列的多片单肢抗震墙；具有交叉腹杆的支撑优于单腹杆支撑；带支撑框架优于单一框架。另外我们可以有选择的提高结构中的重要构件以及关键杆作的延性是比较经济有效的办法。对于框架和框架筒体,应优先提高柱的延性。在工程设计中另一种提高结构延性的办法是结构承载力无明显降低的前提下,控制构件的破坏形态,减小受压构件的轴压比,提高柱的延性。

3.4多道抗震设防体系

无论选用何种材料、何种结构体系的抗震结构，适当处理构件的强弱关系，使其形成多道防线，是增加结构抗震能力的重要措施。一次地震持续的时间少则几秒，多则十几秒甚至更长。这样长时间的地震动，一个接一个的强脉冲对建筑物产生多次往复式冲击，造成累积式破坏；如果建筑物采用的是单结构体系，仅有一道抗震防线，一旦破坏后接踵而来的持续地震就会使建筑倒塌；而设了多重抗震体系的建筑物，在第一道防线的抗侧力体系遭破坏后，后备的第二道、第三道防线立即接替，抵挡后续的地震冲击，特别是对于因“共振”而引起的破坏，在第一道防线失效后，结构转入第二道、第三道防线工作，此时随着第一道防线破坏塑性铰出现，结构基本周期已发生变化，从而错开了地震动卓越周期，建筑物免遭进一步破坏。这种抗震设计概念是对付高烈度地震的一种经济有效的办法。在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的变形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。

4、结语

地震是一种随机振动，它有难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物未来将遭遇的地震的特性一时难以做到，在结构内力分析方面(尽管目前各种内力分析程序很多)，由于未能充分考虑结构的空间作用，非弹性性质、材料的时效、阻尼变化等多种因素，因而也存在着不准确性。故在建筑抗震理论远未达到很科学严密的今天，单靠理论计算很难使建筑物具有良好的抗震能力；通过执行新抗震规范中的各项规定,来保证抗震概念设计的完成通过遵循抗震概念设计的原则,使建筑物具有可靠的抗震性能。