高层建筑结构概念设计：刚性与柔性的选择

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：按照我国“抗震规范”给出的反应谱计算，长周期结构地震作用很小，计算得到的剪重比小于规范规定的数值，规范要求调整结构刚度，加大地震作用，以满足最小剪重比的要求。此外，结构振动特性和变形的大小不仅与结构刚度有关，还与场地土有关，当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时，建筑物的地震反应会加大，无论振动变形还是地震力都会加大。

结构设计时应将结构设计成刚一些，还是柔一些，在建立抗震设计概念的初期，是个备受争论的问题，因为刚度大的结构地震作用大，显然要求较大的构件尺寸和较多钢材用量，似乎是不经济的；而较柔的结构地震作用小，但是变形较大，可节省材料，而一般认为框架的变形性能好，剪力墙变形性能差，主张选用较柔的框架结构，因而早期的设计对高层建筑应用剪力墙结构的限制较多。实际上，历次大地震都说明框架结构的震害比较大，设置剪力墙的结构震害较小，主要是因为剪力墙刚度大，侧移变形小。较早时期的建筑震害说明结构的变形较小，震害就比较少。当然，以前建筑高度都不大，从过去的震害经验不能得出刚度愈大愈好的结论，因为确实刚度愈大，地震作用愈大，材料用量会增加。按照延性框架要求设计的钢筋混凝土框架结构在地震作用下也有表现很好的实例，例如美国旧金山的太平洋广场公寓，见第10章10.13节，不过它并不省钢。

近年来，高层建筑建造高度不断增高，出现了一批300m以上的建筑，甚至达到600m。高度愈大，结构愈柔，周期愈长。按照我国“抗震规范”给出的反应谱计算，长周期结构地震作用很小，计算得到的剪重比小于规范规定的数值，规范要求调整结构刚度，加大地震作用，以满足最小剪重比的要求。大多数300m以上的结构都要进行这样的调整，实际上就是加大结构的刚度，从而缩短周期，所设计的结构将多用材料，增加造价。因此，近年来对于如何设计长周期的超高层建筑结构进行了很多讨论^【82】，集中在是否需要加大结构刚度，实际上仍然是刚与柔的问题。

由于目前世界各国对长周期地震波的研究尚未成熟，预计地面运动中的速度和位移对结构破坏的作用会更大，但是对速度谱和位移谱的研究还不够，我国尚未应用。而反应谱理论得到的地震作用下，长周期建筑物的地震加速度反应都很小（我国规范给出的地震影响系数曲线止于6s，无论采用什么方法得到更长周期的地震影响系数都不会很大，也就是地震作用力较小），如何保证结构的安全？目前世界各国大都是用加大地震力的办法，也就是提高结构承载力的方法，提高结构安全储备，同时，在设计地震和罕遇地震作用下限制结构的变形，我国也是如此。但是，在满足侧移变形限制、而剪重比不满足的情况下，我国仍然要求用调整结构刚度的方法提高地震作用（这会导致构件截面加大），是否必要？是否安全？是否经济？是否可以直接提高结构承载力而不加大结构刚度？这是一个值得讨论和研究的课题。

此外，结构振动特性和变形的大小不仅与结构刚度有关，还与场地土有关，当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时，建筑物的地震反应会加大，无论振动变形还是地震力都会加大。

对于高层建筑抗震设计，不能做出“刚一些好”，还是“柔一些好”这样的简单结论，应该结合结构的具体高度、体系和场地条件进行综合判断，无论如何，重要的是设计时要进行变形限制，要使结构有足够的刚度，足够的承载力，设置部分剪力墙或筒体的结构有利于减小结构变形和提高结构承载力；同时，应根据场地条件来设计结构，硬土地基上的结构可柔一些，软土地基上的结构可刚一些。可通过改变高层建筑结构的刚度调整结构的自振周期，使其偏离场地的卓越周期，较理想的结构是自振周期比场地卓越周期更长，如果不可能，则应使其比场地卓越周期短得较多，因为在结构出现少量裂缝后，周期会加长，要考虑结构进入开裂和弹塑性状态时，结构自振周期加长后与场地卓越周期的关系，见图5-1。如果有可能发生类共振，则应采取有效的措施。因此，在进行较高的高层建筑设计前，应取得场地土动力特性的勘测资料。

图5-1 结构自振周期加长后与场地土的卓越周期关系

超高层建筑在近代建造较多，而在大城市中强烈地震较少，超高层建筑震害很少见，究竟如何掌控刚度和承载力，还缺少充分的依据。但是，在已经可以运用基于性能抗震设计方法的时代，经过概念设计，采取合理的结构方案和布置方案，并采取提高关键构件的承载力、控制塑性铰出现部位等措施后，运用弹塑性计算手段预估结构在预期地震波作用下的表现和可能的侧移是可行的，应该说，目前的抗震设计方法较前进步，针对每个建筑物的具体情况作出经济合理的设计也是完全有可能的。

高层建筑结构概念设计：刚性与柔性的选择

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