高层混凝土结构抗震概念设计

随着我国经济形势的发展，大中型城市多高层建筑迅速增多，多高层建筑已成为工业与民用建筑中最常见的房屋类型。近年来，我国高层建筑发展十分迅速，各地兴建高层建筑层数已普遍增加，因此结构安全的问题也变得举足轻重了，做为一名合格的结构设计师，结构的安全是第一位的。随着科学技术的发展，自动化的计算机程序的普及让从事结构设计人员的要求越来越低，然而，对结构程序的盲从以及对结构概念的模糊化则很容易使设计者对结构存在的一些潜在问题不够重视。因此，结构概念设计就在这个过程中起到了不可替代的作用。这其中最重要的就是抗震设计。

一.抗震设计主要包括两个方面的内容：一是抗震设计的概念设计内容，即包括对房屋结构作合理的结构选型和布置以及采用合理的计算简图和内力分析方法，进行抗震验算。

1. “三水准，两阶段”的设防原则内容

第一水准，当建筑物遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损或不需修理可继续使用。

第二水准，当建物遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。

第三水准，当建筑物遭受本地区抗震设防烈度预估的罕见地震影响时，不至倒塌或发生危及生命的严重破坏。

三水准设防目标的通俗说法为：“小震不坏，设防烈度地震可修，大震不倒”。“小震不坏”要求建筑结构在多遇地震作用下满足承载力极限状态验算要求和建筑弹性变形不超过规定的弹性变形限值。“基本地震可修”要求建筑结构具有相当的延性（变形能力），不发生不可修的脆性破坏。“大震不倒”要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹性变形限值。

两个阶段设计步骤为：第一阶段，对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件

承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范规定采取抗震措施；第二阶段，一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹性变形验算。

2. 建筑抗震设防分类和设防标准

建筑抗震设防分类是依据建筑物在地震时和地震后的功能重要程度来分类，按不同的重要性提出不同的抗震安全要求，并采取相应的抗震设计（地震作用和抗震措施）。

3. 抗震概念设计原则

结构的概念设计主要是重视规范及规程中有关结构概念设计的各条规定，不至于陷入只凭计算的误区。若结构严重不规则，整体性差，则仅按目前的结构设计计算水平，难以保证结构的安全，而且十分不经济。

结构抗震概念设计的基本原则如下：

（1） 结构的简单性：指结构在地震及其他荷载作用下具有明确的和直接的传力途径，便于建立完整、准确的结构计算模型。

（2） 结构的规则性和均匀性：建筑平面规则、平面内结构布置宜规则、对称、均匀、减少偏心，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。沿建筑物竖向的结构布置宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，避免刚度、承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向第一楼层或少数几个楼层出现薄弱层，以致在这些部位因产生应力集中和过大的变形而使结构不安全。

（3） 结构的刚度和抗震能力：结构布置应使结构平面在两个主轴方向均具有足够的刚度和抗震能力，同时还应具有抗扭转刚度和抵抗扭转振动的能力。框架结构应在纵横两个方向布置成双向刚接框架。

（4） 结构的整体性：由于设计内力计算模型是建立在楼盖平面内刚度无限大的假定的基础上，设计应使楼盖系统有足够的平面内刚度和抗力，并与竖向结构有效连接，从而保证梁、板、柱、墙能共同协同工作。

（5） 抗震房屋应尽可能设置多道抗震防线，并考虑第一防线被突破后，引起内力重分布的影响不至于使结构出现倒塌。

二、概念设计理念的程序实现

设计过程中主要通过对一些目标参数的控制来达到这一目的。

1、轴压比：主要为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，规范对墙肢和柱均有相应限值要求。

程序调整：SATWE程序不能实现。

结构调整方法：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度

2、剪重比：主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。

程序调整方法：程序可通过放大地震力的方法实现，当剪重比偏小且与规范限值相差较大时，宜调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

结构调整：当剪重比偏小且与规范限值相差较大时，宜调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

3、刚重比：规范上限主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计。刚重比不满足规范下限要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小。但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

程序调整：刚重比不满足规范上限要求，在SATWE的“设计信息”中勾选“考虑P-Δ效应”，程序自动计入重力二阶效应的影响。

结构调整：刚重比不满足规范下限要求，只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

3、层间位移角：主要为限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。但层间位移角过分小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

程序调整：SATWE程序不能实现。

结构调整：只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度

4、位移比（层间位移比）：主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。位移比（包括层间位移比，下同）不满足规范要求，说明结构的刚心偏离质心的距离较大，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。

程序调整：SATWE程序不能实现。

结构调整：只能通过调整改变结构平面布置，减小结构刚心与质心的偏心距；1）由于位移比是在刚性楼板假定下计算的，结构最大水平位移与层间位移往往出现在结构的边角部位；因此应注意调整结构对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构刚心与质心的偏心距。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。

2）对于位移比不满足规范要求的楼层，也可利用程序的节点搜索功能在SATWE的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中，快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度。节点号在“SATWE位移输出文件”中查找。也可找出位移最小的节点削弱其刚度，直到位移比满足要求。

5、周期比：主要为限制结构的抗扭刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响。周期比不满足规范要求，说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。总的调整原则是加强结构墙、柱或梁的刚度，或适当削弱结构中间墙、柱的刚度。

程序调整：SATWE程序不能实现。

结构调整：只能通过调整改变结构布置，提高结构的抗扭刚度。由于结构的抗侧力构件对结构的抗扭刚度贡献最大，所以总的调整原则是加强结构墙、柱或梁的刚度，或适当削弱结构中间墙、柱的刚度。利用结构刚度与周期的反比关系，合理布置抗侧力构件，加强需要减小周期方向（包括平动方向和扭转方向）的刚度，削弱需要增大周期方向的刚度。

6、刚度比：主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。

以上各项指标均有相应的规范要求，控制以上几个指标满足要求，可以说这个建筑物的整体结构方案就是合理的。

总之，结构的概念设计是一个结构师应该具备的基本概念，做好了结构概念设计，是做好设计的一个前提条件，也是必须条件。