高層建筑抗震結構選型與計算

【摘要】：本文從結構選型和結構計算角度出發，針對鋼筋砼結構的抗震設計特點，依據我國新頒布的有關設計規范，討論砼板柱結構在高層建筑抗震結構體系中的地位，以及連體結構的抗震設計和結構計算問題，提出了相關建議。

【關鍵詞】：高層建筑;砼結構;抗震設計;結構體系;結構計算

1 前言：現行國家設計規范為高層建筑結構選型和結構計算提供了依據。與高層建筑鋼筋砼抗震結構設計有關的國家規范有：《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）、和《髙層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）。本文分別簡稱為：《震規》、《砼規》 和《高規》：合稱為“三規范”或《規范》。

結構工程師在結構選型及確定結構計算方法時，既要遵守設計規范中的各種規定，又要根據具體情況進行綜合判斷及靈活運用。本文針對鋼筋砼結構抗震設計特點，依據新頒布的“三規范”，著重討論建筑經濟指標較好的砼異型柱結構在高層建筑抗震結構體系中的地位，同時討論了連體結構的結構抗震計算相關問題，并提出了建議。

2砼板柱結構體系抗震性能

砼板柱屬于砼異型截面柱，異型截面柱的截面可以是“—”、“T”、“I”或“L”形等。 結構選型的重要依據是房屋適用的最大高度。新修訂的《震規》第6.1.1條在規定現澆鋼筋砼房屋適用的最大髙度限制時，在傳統的結構體系的基礎上新增了①部分框支剪力墻、②框架-核心筒、③筒中筒、④板柱-抗震墻：新修訂的《高規》第4.2.2條關于鋼筋砼房屋適用的最大高度的規定只在A級高度中引入了板柱-抗震墻結構體系;而新的《砼規》除在附錄中提到“板柱節點” ，正文中并未引入任何板柱結構體系。本文以下通過三本規范的對比分析和參照國內學者的觀點， 試圖界定板柱結構在高層建筑砼抗震結構體系中的地位。

2.1柱、板柱和短肢剪力墻

根據原抗震規范第6.3.1條規定：“梁截面寬度不宜小于200，且不宜小于柱寬的1 / 2”（新《震 規》由于引入了扁梁取消了此限制），可知按原抗震規范柱的最小截面尺寸不會小于400×400。新《震規》第6.3.6條則直接規定“柱的截面寬度和高度不宜小于300”，柱的“截面長邊與短邊的邊長比不宜大于3”。

多層中對于結構平面布置時的長寬比（L/B）無明確限制，為避免房屋橫向剛度與房屋縱向剛度過于懸殊，常釆用矩形柱。實際工程中，柱的截面長邊與短邊的邊長比一般都不會大于3”。高層建筑對于結構平面布置時的長寬比（L/B）限制較嚴，提倡“塔形”平面。所以柱多為方形、圓形或接近方形。

《震規》第6.4.9條規定：“抗震墻的墻肢長度不大于墻厚的3倍時，應按柱的要求進行設計《砼規》第10.5.1條規定，“當構件的截面的長邊尺寸大于其短邊尺寸4倍時宜按墻的要求進行設計”?！陡咭帯返?.1.2條用注的方式規定：“短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻”。

2.2 板柱結構抗震性能

在水平往復力作用下剪力墻中的多肢墻在絕大多數樓層間無反彎點出現，變形基本上仍屬整體彎曲型?；謴土η€雖呈“捏縮型”，耗能尚好，但因其剛度大，抗側移能力強，適用于高層抗震結構。

框架結構在水平往復力作用下的變形整體呈剪切型。恢復力曲線呈“梭型”，耗能雖好，但因其剛度小，抗側移能力弱，適用于多層或小高層抗震結構。板柱在水平力作用下的變形不同于剪力墻也不同于框架，板柱的側移剛度比聯肢墻低得多，板柱的延性不如框架?！墩鹨帯窏l文6.1.1指出，板柱結構“有利于節約建筑空間及平面布置的靈活性，但板柱節點較弱，不利于抗震”。

2.3板柱結構抗震體系的應用

《砼規》未收錄“板柱”結構。因此，將板柱應用于多高層抗震結構體系時必須慎重對待。《震規》也僅將其應用范圍限于“板柱一抗震墻體系”，同時對節點構造有較嚴格的要求。《高規》將“板柱一抗震墻體系”限于A級髙層。兩本規范都未將其應用于9度區。總之，異型截面柱抗震結構目前國家還沒有統一的行業標準。據了解天津、上海、廣州有地方標準。四川近年來正在積極研究及工程實踐之中。這些城市都為7度區。

3房屋最大適用高度

3.1房屋最大髙度

三本規范統一定義為：“室外地面到主要屋面板板頂的高度'

3.2高限表的套用

《震規》在表6.注4中規定，“乙類建筑可按本地區的設防烈度確定適用的最大高度”。《砼 規》表11.1.3注4中指出：“乙、丙類建筑應按本地區的設防烈度確定房屋最大高度”。《高規》第 4.2.2條對于A級高層的高度限制同《砼規》表11.1.3注4 一致。

《震規》第3.1.2條對甲類建筑的抗震設防標準的規定是，“地震作用應髙于本地區抗震設防烈 度的要求”，“抗震措施，當抗震設防烈度為6～8度時，應符合本地區抗震設防烈度提髙一度的要求”?！俄乓帯繁?1.1.3注4中明確指出“甲類建筑應按本地區的設防烈度提高一度確定房屋最大高 度”?！扼{規》表4.2.2-1注5《砼規》表11.1.3注4內容基本一致。

綜合后認定：

乙、丙類建筑結構選型時，應按本地區的設防烈度，根據《規范》規定的房屋最大適用高度選擇結構體系。

甲類建筑結構選型時一定要注意到：6、7、8度宜按本地區的設防烈度提高一度確定房屋最大高度，9度設防烈度時應進行專門研究。

4高層連體結構計算

4.1砼連體結構抗震等級的確定

《高規》第10.5.5條專門規定了連體結構抗震等級的確定辦法，即“抗震設計時，連接體和連接體相鄰的結構構件的抗震等級應提高一級釆用，一級提高至特一級，若原抗震等級為特一級則不再提高?！?/p>

4.2連體結構的力學分析

連體結構屬于體形和結構布置復雜的建筑，因此高層連體結構的力學分析應按《 震規 》和《 高 規 》新增的有關條文規定，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。

本文建議，對于高層砼連體結構還應采用通用力學分析軟件，通過整體計算把握結構重要部位的應力場和位移場為局部的構造配筋提供依據。

4.3連體部分豎向地震作用

以往研究表明：水平橫向結構物的豎向地震作用大小主要與三個因素有關，它們是：地震烈度、 結構跨度和結構質量。因此《震規》規定了：“ 8、9度時的大跨度和長懸臂結構及9度時的高層建 筑，應計算豎向地震作用?！薄陡咭帯沸略龅牡?0.5.2條作為強制性條文規定：“8度抗震設計時，連體結構的連接體應考慮豎向地震的影響?！?/p>

實際工程中連體結構形式和結構尺度各有不同?！陡咭帯返纳鲜鲆幎ㄎ磳Ω邔舆B體結構中以下因素加以區分：①連接體的跨度大小;②連接體在結構中的豎向位置高低;③連接體的質量大小。

5結語

高層建筑結構選型和結構計算是一個比較基礎和綜合的問題。本文經綜合分析、對比研究后的 結論和建議如下：

板柱截面尺寸應在（3或4） lt;h/blt; （4或5）范圍內。

板柱結構目前全國尚無統一的行業標準，在抗震地區使用時要謹慎對待。

在6～8度區使用板柱一剪力墻體系時，房屋最大髙度必須符合《震規》和《高規》的要求。

7度區可以使用高度不超過15米的板柱框架結構，8度區可使用板柱_ 桁架結構。

在確定剛性連接的砼連體結構抗震等級時，應將連接體和主體中的連接層及其相鄰層的抗震等級提高1度考慮。

7度區的“高抬橋”形式的連體結構是否需要考慮豎向地震作用，還需要進一步的研究。

參考文獻：

[1]中華人民共和國建設部主編.中華人民共和國國家標準GB 50010-2002混凝土結構設計規范.

[2].中華人民共和圍建設部主編.中華人民共和國國家標準GB50011-2001建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3]中華人民共和國建設部主編.中華人民共和國行業標準JGJ3-2002高層建筑砼結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.