高层建筑结构设计：超静定和抗侧力概念

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：抗震结构必须做成超静定结构，因为超静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个概念引伸，不仅是要设计超静定结构，抗震结构还应该做成具有多道设防的结构，第一道设防结构中的某一部分屈服或破坏只会使结构减少一些超静定次数。这里要提出双重抗侧力体系的概念。在抗震结构中设计双重抗侧力体系便于实现多道设防，是安全而可靠的结构体系。

静定结构，也就是只有一个自由度的结构，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。抗震结构必须做成超静定结构，因为超静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个概念引伸，不仅是要设计超静定结构，抗震结构还应该做成具有多道设防的结构，第一道设防结构中的某一部分屈服或破坏只会使结构减少一些超静定次数。例如带有连梁的剪力墙或实腹筒（联肢剪力墙），在第一道设防结构——连梁破坏以后，还会存在一个能够独立抵抗地震作用的结构；又如框架—剪力墙（筒体）、框架—核心筒、筒中筒结构，无论在剪力墙屈服以后（剪力墙刚度退化），或者在框架部分构件屈服以后（框架刚度退化），另一部分抗侧力结构仍然能够发挥较大作用，虽然会发生内力重分布，它们仍然能够共同抵抗地震，多道设防的结构不容易倒塌。这种多道设防的抗震概念已有成功运用的实例（见第4章4.3节介绍的美洲银行），多道设防概念提出以后，受到愈来愈多的重视。

要注意分析并且控制结构的屈服或破坏部位，控制出铰次序及破坏过程。有些部位允许屈服甚至允许破坏，而有些部位则只允许屈服，不允许破坏，有些部位则不允许屈服。例如带有连梁的剪力墙中，连梁应当作为第一道设防，连梁先屈服或破坏都不会影响墙肢独立抵抗地震力；框架—剪力墙和框架—核心筒结构中，因为剪力墙、核心筒的刚度大，吸收的地震剪力大，允许的变形又较小，通常是剪力墙中的连梁或墙肢先屈服，连梁可以破坏，而墙肢是只能屈服不能破坏的，剪力墙的刚度降低，但不应完全退出工作，只是框架将承担更多地震力，如果框架先屈服，也只允许框架梁先屈服，柱子不允许屈服，那么在第二道设防中仍然是框架和剪力墙共同作用。

这里要提出双重抗侧力体系的概念。双重抗侧力体系的特点是：由两种受力和变形性能不同的抗侧力结构组成，每个抗侧力结构都具有足够的刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接协同工作，共同抵抗外力，特别是在地震作用下，当其中一部分有所损伤时，另一部分应有足够的刚度和承载力能够担当共同抵抗后期地震的任务。在抗震结构中设计双重抗侧力体系便于实现多道设防，是安全而可靠的结构体系。除了联肢剪力墙以外，上面提到框架—剪力墙（筒体）、框架—核心筒、筒中筒等结构都可能成为双重抗侧力体系，也应该设计成双重抗侧力体系，以便实现抗震设计的多道设防。

如果框架刚度很小，在弹性工作阶段，协同工作不足以改变剪力墙的弯曲变形曲线形式：另一方面，中等地震作用下，结构进入弹塑性，剪力墙刚度减小后，塑性内力重分配将使框架内力增加，因此，抗震结构中，必须使框架承受足够的内力，才能实现双重抗侧力体系，从而保证结构安全。

我国早期的《混凝土高规》中，已经有这方面的规定，规定抗震钢筋混凝土框架—剪力墙（筒体）结构中，框架沿整个高度都至少承担基底剪力的20%、或最大框架层剪力的1.5倍（取二者的较小值）；对混合结构的框架—剪力墙（筒体）结构，规程要求框架沿整个高度层剪力都至少为25%基底剪力、或框架最大层剪力的1.8倍（取二者的较小值）。这些规定对于高度不大的高层建筑是可行的，我国按这个规定已经设计、建成了许多高层建筑。

但是，在高层建筑的高度不断加大的现阶段，对于超高层结构，上述规定是否合理，值得商榷。在超高层建筑中，采用框架—核心筒体系十分普遍，一般情况下，外框架的刚度都较小，特别是在外钢框架—混凝土核心筒结构中，钢框架的刚度很小，计算分担的层剪力很小，图5-13给出了一个50层结构的剪力分配示意图，按原有规定设计，若沿整个高度将剪力调整到基底剪力的25%，将大大增加钢框架构件截面，增大用钢量，十分不合理；若按照规程规定，大多数工程中通常是按1.8倍框架最大层剪力调整剪力，从图中可以看到，按1.8倍调整框架层剪力时，其下部各层剪力的调整幅度很小，在许多工程中大都还小于基底剪力的10%。

图5-13 某50层结构的层剪力分配示意

美国规范要求在抗震框架—剪力墙（核心筒）结构中，框架部分的设计层剪力不小于各层总层剪力的25%（见图5-13），才可以作为双重抗侧力结构进行设计，双重抗侧力结构的地震作用可以减小（美国规范中用不同的延性系数评价各种体系，结构体系的延性系数高，则地震作用折减大，双重抗侧力体系的延性系数是较高的）。当框架分担的剪力比例达不到要求数值时，就加大地震作用，要求框架按计算的比例承担层剪力，而剪力墙或核心筒则要抵抗100%地震作用，以确保结构安全。

清华大学曾针对钢框架—混凝土核心筒结构剪力分担率进行研究^【85】，对20个刚度、承载力不同的钢框架—核心筒结构进行了弹塑性计算，对它们的破坏模式、破坏程度等进行分析。分析结果表明，框架下部若干层最容易破坏，上部各层剪力放大很多没有必要，也不合理；钢框架应具有足够刚度，使它的层剪力达到一定比例；各层剪力可以按结构总层剪力的一定比例进行调整，且不能小于计算分配的剪力。上述研究结果已在我国《高层建筑钢—混凝土混合结构规程》（CECS 230∶2008）^【14】中应用，读者可以参考（规定的调整比例小于美国规定）。

现行《混凝土高规》中，也已修改了早先规程中相应的规定。

近年来，在超高层建筑中采用混合框架—核心筒结构愈来愈多，外框架的剪力分配比例问题也愈益受到重视，很多研究表明，没有必要将所有楼层按统一的层剪力设计（统一为其基底剪力的某个百分比），外框架分配的层剪力应沿高度变化（按各层总层剪力的百分比调整较为合理）；除此以外，外框架承受的倾覆力矩也必须达到一定量，才能可靠地实现抗震双重抗侧力结构。在超高层建筑中采用框架—核心筒—伸臂结构，或用环向构件加强，一般能够达到规程要求的外框架层剪力。关于框架-核心筒与框架—核心筒—伸臂结构中如何充分发挥、并提高外框架的作用，将在第8章8.2节中进一步介绍。伸臂结构与环向构件的应用将在第9章中进一步介绍。

高层建筑结构设计：超静定和抗侧力概念

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