钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计

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5.12汶川大地震及4.14青海玉树县地震，给人们带来了无可估量的损失，提高建筑结构抗震等级，保障人民生命财产至关重要。近几十年来，钢筋混凝土结构有了更大的发展，混凝土强度和钢筋强度得到提高，钢筋混凝土结构的应用范围不断扩大，预应力混凝土结构也开始应用。钢筋混凝土高层建筑成为了当前建筑物的一个主体工程，如何保证建筑结构的抗震设计是否过关尤为重要。设计阶段决定主体结构构件、非结构构件的尺寸与构造、连接，是结构的抗震性能目标能否实现的一个重要阶段。论文就钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计进行探讨，旨在促进了钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的飞速发展。

1 抗震设防水准的概述

抗震设防水准一般是以地震动参数的形式来表达的，是指未来可能施加于结构的地震作用大小。我国在上世纪中期颁布使用的抗震设计规范中的设防目标是单一的，只是对结构和构件的强度提出了要求，这个时期的设计通常称为基于强度的抗震设计。而目前我国正在使用的《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001，2008年版）中采用了三水准的抗震设防目标，即：

第一水准：当结构遭受低于本地区抗震设防烈度的小震作用时，结构一般不发生破坏或不需修理即可继续使用；

第二水准：当结构遭受相当于本地区抗震设防烈度的中震作用时，结构可能会发生破坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；

第三水准：当结构遭受高于本地区抗震设防烈度的大震作用时，结构不发生倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。

三水准设防目标即为人们通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。对抗震设防区的结构进行抗震设计时，应满足“三水准”抗震设防目标的要求。而按“三水准”的要求对结构进行抗震设计时，首先遇到的问题是如何定义小震、中震和大震三个地震作用水平以及它们对应的烈度值。（见表1）

表1 我国规范抗震设防水准及性能目标

2 改进能力谱法及结构的延性

改进能力谱法的基本原理是首先建立一组层间需求曲线，该需求曲线族是利用地震作用下结构在不同反应阶段的振型建立起来的，并且和结构所处的场地类别、地震作用水平有关。在地震作用下，结构在弹性阶段、屈服阶段、初始破坏阶段和最终破坏阶段具有不同的动力特性，改进能力谱法中的层间需求曲线则考虑了结构在不同阶段的动力特性。若要满足结构具有足够的抵抗外加地震层间剪力和层间变形的能力的要求，结构的层间需求曲线和能力曲线在结构具有足够强度储备和变形能力储备的区域(弹性范围)必须相交。

延性是指结构或构件超出弹性阶段进入塑性阶段后的变形能力，按层次的不同分为截面延性、构件延性和结构延性。限制轴压比与纵筋最大配筋率合理的受力过程可明显提高构件延性，为实现受拉钢筋的屈服先与受压区混凝土压碎的破坏形态，以提高塑性铰区域的转动能力，规范限制轴压比与纵筋最大配筋率，同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。建筑结构在地震作用下的变形能力主要取决于结构构件的延性性能。延性性能越好的结构其变形能力就越强，在地震作用下发生破坏时吸收的能量就越多。目前各国规范中主要是通过构造措施来保证构件的延性，从而使结构达到满意的变形能力。在基于性能的抗震设计中，对结构变形的控制可按以下两个步骤进行：一是通过结构的位移和延性需求确定其构件的位移或延性需求，再根据构件形式确定构件截面变形或延性需求；二是进行构件截面变形能力设计，主要是根据构件截面形式和延性需求选择合理的箍筋形式和间距，并通过计算确定约束混凝土的极限压应变和约束箍筋的数量。

3 钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计

钢筋混凝土框架结构基于层间位移的抗震设计方法，具体步骤可归纳如下：

1）初步确定结构的柱网布置、层高及构件的截面尺寸、材料强度等级。

2）考虑经济、安全和适用等要求，确定地震作用水平、结构性能目标以及结构层间位移角设计值。

3）结构的延性需求，可通过结构在不同地震作用水平下的不同性能水平确定，并由式(1)计算结构的等效阻尼比。

式中：εeq； 的取值就抗震等级来定，即小震时结构能够正常使用，µ可以取1.0，中小震时，结构处于暂时使用或修复后使用状态，可取µ=1.0或µ=1.0～1.5；中震时结构处于修复后使用或保证生命安全，这时可取µ=1.5～3.0；大震时要保证结构不倒塌，则 =3.0～4.0。由此，可计算得到在不同地震作用水平下，结构不同楼层不同目标层间位移角的层间需求曲线。结构层间需求曲线的建立需要确定结构n振型产生的i层最大侧移µn.j.max和最大剪力，vn.j.max这时加速度值Sa（εn,Tn）需要计算求得。若用现行抗震规范的设计反应谱来计算该加速度值，需利用结构的等效阻尼比εeq将现行抗震规范的弹性反应谱进行折减，以考虑结构在不同地震作用水平下的弹塑性性能。

4）对结构进行模态分析，由式(2)与(3)计算结构各楼层的层间需求曲线。利用地震加速度反应谱或设计反应谱可以得到结构第n阶振型产生的i楼层最大侧移µn.j.max。

ωn为结构的自振频率；ψn.i为结构第n阶振型的形状；ιn为振型参与系数。Sa（εn,Tn）为和阻尼比εn、周期Tn对应的加速度。

通过式(2)，(3)，即可求得各楼层的层间剪力与层间位移之间的关系曲线，（ΔVi-Δμi）该曲线即为结构层间需求曲线。结构的振型、振型参与系数以及自振周期可以通过分析结构的多自由度体系的振型可以得到。通过四个不同性能阶段弹性阶段、屈服阶段、初始破坏阶段和最终破坏阶段分别对结构来进行分析。进行振型分析时，四个不同阶段结构的需求谱需采用以下假定，即结构的振型形状在每一个反应阶段保持不变。

5）由结构的延性需求和目标层间位移角，在层间需求曲线上确定结构薄弱层的楼层剪力。

6）将薄弱层的楼层剪力按式(4)分配到各楼层，得到各楼层的地震作用。

式中：为结构第i层的重力荷载代表值；hi为结构各楼层的标高；Di为结构各层侧向刚度。通过非线性静力分析得到各楼层的层间剪力△Vi和层间侧移Δμi关系曲线，该曲线即为该楼层的层间能力曲线。

7）构件截面内力设计值根据规范对计算的水平地震作用效应和相应的重力荷载效应进行组合计算得到，接着进行构件截面承载力计算，并采取必要的构造措施以保证结构的变形能力。

8）对按上述方法设计的结构进行非线性静力分析，以校核结构实际的层间位移能否满足既定地震作用水平下层间位移的要求。

9）若初选的构件尺寸等不合适，则对它们调整后重复上述过程，直至满足既定地震作用水平下的目标位移要求。

4 结语

总之，钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一，钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重，其抗震设计中应该钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计，另外，必须满足“强柱弱梁”“、强剪弱弯”“、强节点”“、强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。