高层钢筋混凝土结构抗震设计分析

现代高层建筑起源于19世纪,1960年以后,建筑材料、结构体系和施工技术不断发展,大量50层以上高层建筑应运而生。高层建筑的主要结构材料是钢筋混凝土和钢。除了全部采用钢材的钢结构和全部采用混凝土的钢筋混凝土结构,同时使用这两种材料的混合结构和组合结构也得到了广泛应用。但是考虑到各方面的因素,钢筋混凝土结构在不久的将来仍将是高层建筑的主流。

一、高层建筑的特征

高层建筑的定义在世界各国没有统一的标准。在我国,根据相关规程,总高度超过28米的住宅建筑和超过24米的其他民用建筑被定义为高层建筑。

相比低层建筑更注重竖向荷载,在高层建筑设计中,水平荷载往往成为控制因素。随着高度的增加,建筑物位移增长最快,弯矩其次,轴力增长最慢。所以高层建筑的设计核心是构件的强度、结构的刚度和整体稳定性。

在地震带,高层建筑需要有良好的抗震性能和塑性变形能力,以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。

高层建筑设计是一个系统工程,包括概念设计、构件设计、施工方案、维护保养等。这些方面分别对应建筑结构的先天条件、后天增长和长期服务。

二、抗震概念设计的意义

概念设计对高层建筑结构设计很重要,但在工程师过于依赖计算软件的今天,其重要性有时被淡化了。概念设计强调的是贯穿整个设计过程的抗震理念,而不仅仅是计算的准确性,它体现了结构工程师的水平。

概念设计根据经验总结出的基本设计原则,属于定性设计。它弥补了目前抗震设计方法存在的不确定性、计算方法近似性的不足。

三、概念设计的目标和作用

抗震设计应遵循两阶段三标准的原则。第一阶段通过计算满足强度和变形要求;第二阶段通过层间位移验算实现“大震不倒”。我国通过合理的抗震构造措施来达到“中震可修”的要求。概念设计总体把控抗震设计原则,以满足各项防震要求。

概念设计的重要作用还在于当前抗震设计方法存在不确定性、计算近似性等问题。概念设计可以弥补这些不足。

四、抗震概念设计的基本内容《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（下简称《抗规》）对抗震概念设计作了全面具体的规定，使概念设计更容易理解，也使更多的设计人员便于掌握和运用概念设计。规范明确了概念设计包含的3个基本内容：（1）重视结构的规则性；（2）选择合理的结构体系；（3）结构构件的延性设计。五、概念设计的核心准则及其保证措施

（一）核心准则“强节点弱构件”――防止节点核心区破坏先于构件；“强柱弱梁”――防止结构塑性铰先在柱内出现，要求柱的抗弯能力高于梁的抗弯能力；“强剪弱弯”――防止构件发生剪切破坏，要求构件受剪承载力高于受弯承载力。（二）保证措施保证措施有两个方面：一是合理选择确定结构屈服水准（也可以说承载能力）的地震作用。这个地震作用通常小于或明显小于设防烈度地震，但它必须与结构的延性能力相协调。二是制定有效的抗震构造措施使结构确实具备所需要的保持竖向承载力条件的非弹性变形能力。这两个方面在《高规》中有详细的规定。如：《高规》第3.9节（抗震等级）的要求，我国规范对钢筋混凝土延性等级的划分以烈度区为主要依据，但还要考虑各类结构构件以及同一类结构中不同组成部分对延性的不同需求，因此《高规》建立了“抗震等级”（即抗震措施的等级）的概念，并将其划分为一、二、三、四级。这样，只需规定各抗震等级对应的内力调整和构造措施，所有不同类型结构在不同抗震设防标准下的对应抗震手段就都清楚了。总之，《高规》中许多条文都是概念设计的内容，都与“三强三弱”密切相关。