鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計

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5.12汶川大地震及4.14青海玉樹縣地震，給人們帶來了無可估量的損失，提高建筑結構抗震等級，保障人民生命財產至關重要。近幾十年來，鋼筋混凝土結構有了更大的發展，混凝土強度和鋼筋強度得到提高，鋼筋混凝土結構的應用范圍不斷擴大，預應力混凝土結構也開始應用。鋼筋混凝土高層建筑成為了當前建筑物的一個主體工程，如何保證建筑結構的抗震設計是否過關尤為重要。設計階段決定主體結構構件、非結構構件的尺寸與構造、連接，是結構的抗震性能目標能否實現的一個重要階段。論文就鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計進行探討，旨在促進了鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構的飛速發展。

1 抗震設防水準的概述

抗震設防水準一般是以地震動參數的形式來表達的，是指未來可能施加于結構的地震作用大小。我國在上世紀中期頒布使用的抗震設計規范中的設防目標是單一的，只是對結構和構件的強度提出了要求，這個時期的設計通常稱為基于強度的抗震設計。而目前我國正在使用的《建筑抗震設計規范》（GB50011—2001，2008年版）中采用了三水準的抗震設防目標，即：

第一水準：當結構遭受低于本地區抗震設防烈度的小震作用時，結構一般不發生破壞或不需修理即可繼續使用；

第二水準：當結構遭受相當于本地區抗震設防烈度的中震作用時，結構可能會發生破壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用；

第三水準：當結構遭受高于本地區抗震設防烈度的大震作用時，結構不發生倒塌或發生危及生命安全的嚴重破壞。

三水準設防目標即為人們通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。對抗震設防區的結構進行抗震設計時，應滿足“三水準”抗震設防目標的要求。而按“三水準”的要求對結構進行抗震設計時，首先遇到的問題是如何定義小震、中震和大震三個地震作用水平以及它們對應的烈度值。（見表1）

表1 我國規范抗震設防水準及性能目標

2 改進能力譜法及結構的延性

改進能力譜法的基本原理是首先建立一組層間需求曲線，該需求曲線族是利用地震作用下結構在不同反應階段的振型建立起來的，并且和結構所處的場地類別、地震作用水平有關。在地震作用下，結構在彈性階段、屈服階段、初始破壞階段和最終破壞階段具有不同的動力特性，改進能力譜法中的層間需求曲線則考慮了結構在不同階段的動力特性。若要滿足結構具有足夠的抵抗外加地震層間剪力和層間變形的能力的要求，結構的層間需求曲線和能力曲線在結構具有足夠強度儲備和變形能力儲備的區域(彈性范圍)必須相交。

延性是指結構或構件超出彈性階段進入塑性階段后的變形能力，按層次的不同分為截面延性、構件延性和結構延性。限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構件延性，為實現受拉鋼筋的屈服先與受壓區混凝土壓碎的破壞形態，以提高塑性鉸區域的轉動能力，規范限制軸壓比與縱筋最大配筋率，同時對混凝土受壓區高度也提出相應要求。建筑結構在地震作用下的變形能力主要取決于結構構件的延性性能。延性性能越好的結構其變形能力就越強，在地震作用下發生破壞時吸收的能量就越多。目前各國規范中主要是通過構造措施來保證構件的延性，從而使結構達到滿意的變形能力。在基于性能的抗震設計中，對結構變形的控制可按以下兩個步驟進行：一是通過結構的位移和延性需求確定其構件的位移或延性需求，再根據構件形式確定構件截面變形或延性需求；二是進行構件截面變形能力設計，主要是根據構件截面形式和延性需求選擇合理的箍筋形式和間距，并通過計算確定約束混凝土的極限壓應變和約束箍筋的數量。

3 鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計

鋼筋混凝土框架結構基于層間位移的抗震設計方法，具體步驟可歸納如下：

1）初步確定結構的柱網布置、層高及構件的截面尺寸、材料強度等級。

2）考慮經濟、安全和適用等要求，確定地震作用水平、結構性能目標以及結構層間位移角設計值。

3）結構的延性需求，可通過結構在不同地震作用水平下的不同性能水平確定，并由式(1)計算結構的等效阻尼比。

式中：εeq； 的取值就抗震等級來定，即小震時結構能夠正常使用，μ可以取1.0，中小震時，結構處于暫時使用或修復后使用狀態，可取μ=1.0或μ=1.0～1.5；中震時結構處于修復后使用或保證生命安全，這時可取μ=1.5～3.0；大震時要保證結構不倒塌，則 =3.0～4.0。由此，可計算得到在不同地震作用水平下，結構不同樓層不同目標層間位移角的層間需求曲線。結構層間需求曲線的建立需要確定結構n振型產生的i層最大側移μn.j.max和最大剪力，vn.j.max這時加速度值Sa（εn,Tn）需要計算求得。若用現行抗震規范的設計反應譜來計算該加速度值，需利用結構的等效阻尼比εeq將現行抗震規范的彈性反應譜進行折減，以考慮結構在不同地震作用水平下的彈塑性性能。

4）對結構進行模態分析，由式(2)與(3)計算結構各樓層的層間需求曲線。利用地震加速度反應譜或設計反應譜可以得到結構第n階振型產生的i樓層最大側移μn.j.max。

ωn為結構的自振頻率；ψn.i為結構第n階振型的形狀；ιn為振型參與系數。Sa（εn,Tn）為和阻尼比εn、周期Tn對應的加速度。

通過式(2)，(3)，即可求得各樓層的層間剪力與層間位移之間的關系曲線，（ΔVi-Δμi）該曲線即為結構層間需求曲線。結構的振型、振型參與系數以及自振周期可以通過分析結構的多自由度體系的振型可以得到。通過四個不同性能階段彈性階段、屈服階段、初始破壞階段和最終破壞階段分別對結構來進行分析。進行振型分析時，四個不同階段結構的需求譜需采用以下假定，即結構的振型形狀在每一個反應階段保持不變。

5）由結構的延性需求和目標層間位移角，在層間需求曲線上確定結構薄弱層的樓層剪力。

6）將薄弱層的樓層剪力按式(4)分配到各樓層，得到各樓層的地震作用。

式中：為結構第i層的重力荷載代表值；hi為結構各樓層的標高；Di為結構各層側向剛度。通過非線性靜力分析得到各樓層的層間剪力△Vi和層間側移Δμi關系曲線，該曲線即為該樓層的層間能力曲線。

7）構件截面內力設計值根據規范對計算的水平地震作用效應和相應的重力荷載效應進行組合計算得到，接著進行構件截面承載力計算，并采取必要的構造措施以保證結構的變形能力。

8）對按上述方法設計的結構進行非線性靜力分析，以校核結構實際的層間位移能否滿足既定地震作用水平下層間位移的要求。

9）若初選的構件尺寸等不合適，則對它們調整后重復上述過程，直至滿足既定地震作用水平下的目標位移要求。

4 結語

總之，鋼筋混凝土框架結構是我國大量存在的建筑結構形式之一，鋼筋混凝土框架結構的柱端與節點的破壞較為嚴重，其抗震設計中應該鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計，另外，必須滿足“強柱弱梁”“、強剪弱彎”“、強節點”“、強底層柱底”等延性設計原則和有關規定。