高層建筑混凝土結構薄弱層及其計算注意事項

【摘 要】本文針對目前高層建筑混凝土結構中存在薄弱層的現象進行了細致的分析，提出了正確、完整的計算方法，為此類建筑結構的安全性和經濟性提供了理論上的保證。

【關鍵詞】薄弱層；時程分析法；非線性分析法

1 什么是高層建筑混凝土結構薄弱層

從概念設計方面考慮，高層建筑的豎向結構布置應規則、均勻，側向剛度自下而上逐漸減小。這樣，建筑物受力明確合理，地震作用下應力分布均勻，較容易采取抗震構造措施及進行細部處理，地震時較不容易破壞。所以作為結構設計人員，是不希望建筑結構豎向不規則的。但實際工作中，由于底層層高加高、抽柱、樓板開洞、錯層、上宿下店等原因，不得不接觸到一些豎向不規則的高層建筑。當然，造成豎向不規則的情況很多，但是請注意以下三條：

1.1 抗震設計時，高層建筑相鄰樓層的側向剛度變化應滿足以下條件：

對純框架結構，樓層與相鄰上層的側向剛度比不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值的比值不宜小于0.8.

對非框架結構，側向剛度比應計入層高影響。本層與相鄰上層的側向剛度比不宜小于0.9，；當本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1，；對結構底部嵌固層，該比值不宜小于1.5.

1.2 A級高度高層建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應小于其相鄰上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不應小于其相鄰上一層受剪承載力的75%。

這里，樓層抗側力結構的受剪承載力是指所考慮的水平地震作用方向上，該層所有抗側力構件（包括全部柱、剪力墻、斜撐）的實際受剪承載力之和，是依據實配鋼筋的情況進行反算確定的。其中，柱的受剪承載力可以根據柱兩端實配鋼筋截面的受彎承載力按兩端同時屈服的假定失效模式反算；剪力墻可根據實配鋼筋按抗剪設計公式反算；斜撐的受剪承載力可計及軸力的貢獻，且應考慮受壓屈服的影響。

1.3 抗震設計時，結構豎向抗側力構件宜上下連續貫通。

以上三條中的每一條對于結構的豎向規則性都起著舉足輕重的作用。規范規定：只要不滿足其中一條，該層就應視為薄弱層。現歸納如下:高層建筑結構薄弱層是對于結構豎向布置規則性而言的，分三種情況：一是剛度不連續，二是強度不連續，三是豎向抗側力構件不連續。總之，只要某層出現三條件之一，就應視為薄弱層。

這里請設計人員注意：目前的PKPM軟件對于薄弱層的判斷并不是完全自動的，所以結構設計人員必須運用概念設計理念并結合工程實際對計算模型和數據做認真分析，把薄弱層找出來。薄弱層的位置確定以后，我們首先應盡量爭取采用可行的措施（如調整薄弱層及以下部位的剛度或者同建筑專業人員共同商討個別構件的布置方式等辦法），使結構中不再出現薄弱層；如果前者行不通，我們就要對薄弱層加以人工定義，然后在此基礎上再進行更深層次的驗算、調整及細部設計。

還有兩點需提醒結構設計人員：規范規定，①如果高層建筑結構的某一樓層剛度和承載力均不滿足上述條件，則該層極為薄弱，對抗震十分不利，應盡量避免，不宜采用。②在地震區不應使用底部全部為柱子、上層為剪力墻的結構。因為這樣的建筑物上下剛度差別太大，震害嚴重。

2 有關高層建筑結構薄弱層的計算注意事項

如果薄弱層在實際工程中不得不出現，那么設計人必須要對薄弱層及相關部位進行計算和設計上的調整和加強，否則，地震來臨時，薄弱部位就會發生嚴重的應力集中和彈塑性變形集中，從而導致薄弱層及以上建筑結構的損毀，甚至引起整幢建筑物的破壞或倒塌。由于具體工程的細部設計千差萬別，無法面面俱到，故在這里不再贅述，只重點介紹一下有關薄弱層計算方面的注意事項。

大家知道：對于一般高層建筑結構，可只進行多遇地震作用下的內力和變形分析（多遇地震作用下，建筑處于正常使用狀態，可以視為彈性體系，采用大家熟悉的振型分解反應譜進行彈性分析即可。當然框架梁及連梁等構件在截面設計時可考慮局部塑性變形引起的內力重分布。），并通過現行規范對于非抗震構件設計可靠性水準的提高，以達到小震不壞、中震可修的設防目標，然后通過概念設計和抗震構造措施來實現大震不倒的設防目標。但對于復雜的容易形成薄弱部位的高層建筑結構，尚需滿足以下要求：

2.1 進行多遇地震下的內力和變形計算時，應注意以下內容：

2.1.1 應采用振型分解反應譜法進行計算，且應考慮扭轉耦聯震動影響對結構的扭轉效應，振型數不應小于15，對多塔樓結構的振型數不應小于塔樓數的9倍，且計算振型數應使振型參與質量不小于總質量的90%。

2.1.2 計算地震剪力時，薄弱層對應于地震作用標準值的剪力應乘以 1.25 的增大系數，并應符合最小地震剪力系數λ（即通常所說的剪重比）要求。

這里需要注意的是：對于薄弱層，λ尚應乘以1.15的系數。就是說：薄弱層對層剪力標準值乘以 1.25 的增大系數后其地震剪力系數不應小于表1中λ數值的 1.15倍。

2.1.3 應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算。

2.1.4 應選用合適的計算模型進行分析，對復雜部位適當做簡化處理，對其局部進行更細致的補充計算分析，宜按應力分析的結果校核配筋設計。

2.2 應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算(可只用于7~9度抗震設防時).

這里所謂的“補充計算”，主要是指對計算的底部剪力、樓層剪力和層間位移進行比較，如果時程法分析結果大于振型分解反應譜法分析結果，那么相關部位的構件內力和配筋應做相應的調整。

進行結構時程分析時應符合下列要求：

2.2.1 應按建筑場地類別和設計地震分組選取實際地震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際地震記錄的數量不應少于總數量的2/3，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符；彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結構的80%。

2.2.2 地震波的持續時間不宜小于建筑結構基本自振周期的5倍和15s，地震波的時間間距可取0.01s和0.02s.

2.2.3 輸入地震加速度的最大值可按表2采用。

注：括號內數值分別用于設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區。

2.2.4 當取三組時程曲線進行計算時，結構地震作用效應宜取時程法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值；當取七組及七組以上時程曲線進行計算時，結構地震作用效應可取時程法計算結果的平均值與振興分解反應譜法計算結果的較大值。

2.3 對于下表3范圍內帶有薄弱層的高層建筑，尚宜采用非線性分析法（即彈塑性分析方法）進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析。

在罕遇地震作用下，結構要進入彈塑性變形狀態，這種變形往往要比彈性變形大很多（層間彈塑性位移角限值參見表4），故考慮結構的幾何非線性計算是必要的，也較符合實際情況。

非線性分析一般有兩種方法：靜力的非線性分析（推覆法）和動力的非線性分析（塑性動力分析法）。

靜力的非線性分析方法：是沿高度施加模擬地震作用的等效水平力，并由小到大逐步增加其強度，使結構由彈性狀態逐步進入彈塑性狀態，最終達到并超過規定的彈塑性位移。這是目前較為實用的簡化的彈塑性分析技術，但因其具有一定的局限性和適用性，其結果需要工程經驗判斷。

動力非線性分析法：是將結構作為彈塑性振動體系加以分析，直接按照地震波數據輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化期間內，結構的內力和變形隨時間變化的全過程。這是較為嚴格的方法，它需要較高端的計算機軟件和很好的工程經驗判斷，所以這也是難度較大的一種方法。

非線性分析方法綜合考慮了材料的性能以及本構關系等因素，所以與彈性分析計算相比，其結果的可靠性有所提高。但由于分析軟件的計算模型、結構阻尼的選取以及構件破損程度的衡量、有限元的劃分等原因，存在較多的人為因素和經驗因素。

正是因為考慮到彈塑性變形計算的復雜性，所以僅要求對設防烈度較高且高度較高的建筑（參見表3）進行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算。

3 結語

以人為本，全面發展，所以安全是重中之重，這就要求建筑師應該盡量將建筑藝術和力學規律相結合，做到防患于未然，在方案階段力求避免在工程中存在明顯的薄弱層（部位），從而給建筑帶來不安全因素和人財物的浪費；當然也要求結構設計人員應加強對概念設計的理解和運用，對薄弱層的位置做出正確判斷分析，并在計算和設計上加以足夠重視，從而進行合理的調整和加強，以確保建筑物的安全度。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準 建筑抗震設計規范GB50011-2010

[2]中華人民共和國行業標準 高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010