高層建筑結(jié)構(gòu)第六講

震害經(jīng)驗(yàn)表明，如果結(jié)構(gòu)中存在薄弱層或薄弱部位，在強(qiáng)烈地震作用下，由于結(jié)構(gòu)的薄弱部位產(chǎn)生較大的彈塑性變形，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞甚至引起房屋倒塌。彈塑性變形驗(yàn)算是第二階段抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。但是，確切地找出結(jié)構(gòu)的薄弱層（部位）以及薄弱層（部位）的彈塑性變形，目前還有許多困難。研究和震害表明，即便是規(guī)則的結(jié)構(gòu)，也是某些部位率先屈服并發(fā)展塑性變形，而非各部位同時(shí)進(jìn)入屈服；對(duì)于體型復(fù)雜的剛度和承載力分布不均勻的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，彈塑性反應(yīng)過(guò)程更為復(fù)雜。

3.5罕遇地震作用下薄弱層的變形驗(yàn)算

因此，要求對(duì)每一棟高層建筑都進(jìn)行彈塑性分析是不現(xiàn)實(shí)的，也沒(méi)有必要。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2002/J186—2002僅對(duì)有特殊要求的建筑、地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)和有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)作了兩階段設(shè)計(jì)要求，即除了第一階段的彈性承載力設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行薄弱部位的彈塑性層間變形驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。需要進(jìn)行罕遇地震作用下的變形計(jì)算的情況：1.7～9度設(shè)防的、樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)ξy

小于0.5的框架；屈服強(qiáng)度系數(shù)2.甲類建筑和9度抗震設(shè)防的乙類建筑結(jié)構(gòu)；3.采用隔振和消能減震技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)；4.8度Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地和9度時(shí)，高大的單層鋼筋砼柱廠房的橫向排架；5.高度大于150m的鋼結(jié)構(gòu)。宜進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算：1.采用時(shí)程分析的房屋和豎向不規(guī)則類型的高層建筑結(jié)構(gòu)；2.7度Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地和8度時(shí)乙類建筑中的鋼筋砼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)；3.板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)和底部框架磚房；4.高度不大于150m的高層鋼結(jié)構(gòu)。罕遇地震作用下，大多數(shù)結(jié)構(gòu)都已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，變形加大，主要要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)層間變形是否超過(guò)限制，計(jì)算方法有如下兩種：1．反應(yīng)譜方法：采用底部剪力法或者振型分解法來(lái)計(jì)算彈塑性層間變形。適用范圍：不超過(guò)12層，且沿高度剛度無(wú)突變的框架結(jié)構(gòu)。計(jì)算方法：采用書中表2－5中給出的罕遇地震作用下的αmax

值，用底部剪力法或者振型分解法求出結(jié)構(gòu)樓層層剪力。首先找出框架結(jié)構(gòu)的薄弱層，再對(duì)薄弱層的層間變形進(jìn)行驗(yàn)算。薄弱層為底層或者是屈服強(qiáng)度最小或相對(duì)較小的樓層。然后計(jì)算薄弱層的層間彈塑性位移：其中：

——在罕遇地震的等效地震荷載下，由彈性計(jì)算得到的層間位移；

——彈塑性位移增大系數(shù)，當(dāng)薄弱層的屈服強(qiáng)度系數(shù)不小于相鄰層該系數(shù)的0.8時(shí)，按表3.8取值；當(dāng)不大于相鄰層該系數(shù)的0.5時(shí)，按表3.8中數(shù)值的1.5倍取值，在0.5～0.8之間時(shí)，可用插入法求出

。最后驗(yàn)算是否滿足限制的要求，式中h——薄弱層層高；[θp]——層間彈塑性位移角限值，對(duì)框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)軸比小于0.40時(shí)，可提高10%；當(dāng)柱子全高的箍筋構(gòu)造比柱端加密區(qū)的最小含箍特征值大30%時(shí)，可提高20%，但累計(jì)不超過(guò)25%.2.彈塑性時(shí)程分析方法高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟

（1）選擇合理的結(jié)構(gòu)形式（框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一筒體結(jié)構(gòu)），主要是根據(jù)建筑功能的要求（比如大空間的平面布置，可選擇框架、框筒結(jié)構(gòu)），抗震性能（地震區(qū)，宜選用周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)形式以減少地震作用，而在強(qiáng)風(fēng)區(qū)，過(guò)長(zhǎng)的自振周期會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)產(chǎn)生不利影響）以及經(jīng)濟(jì)性。（2）確定所選結(jié)構(gòu)上各類構(gòu)件的截面尺寸和數(shù)量（如框架梁、柱截面尺寸，框一剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的片數(shù)，筒體的壁厚等）。在選定高層建筑結(jié)構(gòu)形式之后，初選構(gòu)件截面尺寸和構(gòu)件數(shù)量的正確與否，將會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)的計(jì)算工作量。

3.7結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)（3）確定結(jié)構(gòu)上各類計(jì)算荷載的數(shù)值（豎向荷載和水平荷載）。根據(jù)我國(guó)高層建筑的現(xiàn)狀，在方案估算階段，可按經(jīng)驗(yàn)估算確定結(jié)構(gòu)的單位面積重力荷載：框架結(jié)構(gòu)：12～14kN/m2；框—剪結(jié)構(gòu)：14～16kN/m2；剪力墻、筒體：15～18kN/m2。（4）對(duì)所選結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析和變形計(jì)算。（5）對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)（各種強(qiáng)度或變形的驗(yàn)算）。（6）建筑物地面以下的基礎(chǔ)選擇和設(shè)計(jì)。（7）繪制結(jié)構(gòu)施工圖。3.7.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選取3.7.2結(jié)構(gòu)計(jì)算1.計(jì)算模型的采用；2.荷載取值；3.計(jì)算軟件的選?。?.特殊構(gòu)件的計(jì)算；5.協(xié)同工作性能3.7.3抗震措施

1.抗震等級(jí)的劃分

不同類型的結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)各不相同。為了體現(xiàn)在同樣烈度下不同的結(jié)構(gòu)體系、不同的高度和不同場(chǎng)地有不同的抗震要求，根據(jù)抗震設(shè)防“三水準(zhǔn)”的目標(biāo)要求，抗震設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、房屋高度和場(chǎng)地類別區(qū)分為不同的抗震等級(jí)，采用相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施，即便在出現(xiàn)較嚴(yán)重?fù)p壞的情況下仍能保持有一個(gè)穩(wěn)定的體系?？拐鸬燃?jí)實(shí)際上是結(jié)構(gòu)對(duì)延性和耗能的要求，體現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能要求的嚴(yán)格程度。地震烈度愈高，結(jié)構(gòu)變形愈大，對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求就愈嚴(yán)格，所以，結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度越高，抗震等級(jí)也越高。房屋根據(jù)其使用功能的重要性，高度增大，結(jié)構(gòu)變形增大，對(duì)延性要求及抗震等級(jí)也要相應(yīng)提高。決定抗震構(gòu)造措施等級(jí)時(shí)應(yīng)考慮的烈度2.多道抗震設(shè)防兩個(gè)方面意義：一是指一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件將各分體系聯(lián)系起來(lái)協(xié)同工作；二是指抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能的內(nèi)部、外部贅于度，有意識(shí)地建立起一系列的屈服區(qū)，以使結(jié)構(gòu)能吸收和消耗大部分的地震能量，一旦遭受破壞也易于修復(fù)?？蚣埽袅Y(jié)構(gòu)：剪力墻為第一道防線；框架－筒體結(jié)構(gòu)：筒體為第一道防線；筒中筒結(jié)構(gòu)：內(nèi)實(shí)腹筒為第一道防線。3.7.4延性

在中等地震烈度下，允許結(jié)構(gòu)的某些部位進(jìn)入屈服狀態(tài)，形成塑性鉸，此時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)變形加大。但在這個(gè)階段，結(jié)構(gòu)可以通過(guò)塑性變形耗散地震能量，但是必須保證結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)構(gòu)不能破壞，這種性能被稱為延性。延性越好，抗震能力越強(qiáng)。延性系數(shù)：結(jié)構(gòu)最大變形與屈服變形的比值。四強(qiáng)四弱設(shè)計(jì)原則：強(qiáng)柱弱梁——控制塑性鉸的位置強(qiáng)剪弱彎——控制構(gòu)件的破壞形態(tài)強(qiáng)節(jié)弱桿——保證節(jié)點(diǎn)區(qū)承載力強(qiáng)壓弱拉——使構(gòu)件產(chǎn)生延性破壞3.7.5、基礎(chǔ)埋置深度及基礎(chǔ)形式

高層建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與地基必須能提供較大的豎向和水平向承載力。高層建筑的重量隨層數(shù)增加而增加，因此基礎(chǔ)的豎向荷載大而集中。與此同時(shí)，風(fēng)荷載和地震作用引起的傾覆力矩隨高度而成倍增長(zhǎng)。因此，高層建筑要求基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地基必須具有相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度，以保證建筑物具有足夠的穩(wěn)定性，并使其沉降和傾斜控制在允許范圍內(nèi)。高層建筑為了滿足其穩(wěn)定性和利用地下空間的要求，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的埋置深度常很大，因而帶來(lái)了十分復(fù)雜的基坑工程問(wèn)題。一、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)特點(diǎn)高層建筑由于體型高聳、荷載工況復(fù)雜，使得基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法都較一般單層和多層建筑不同，設(shè)計(jì)中不可回避地需要考慮下述因素：1．豎向荷載和水平荷載的同時(shí)作用高層建筑基礎(chǔ)不僅承受大而集中的豎向荷載，而且風(fēng)荷載和地震作用引起的傾覆力矩也成倍增長(zhǎng)，因此要求基礎(chǔ)和地基能夠提供更高的豎直與水平承載力。2．上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的共同作用高層建筑上部結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，并與基礎(chǔ)和地基同處于一個(gè)完整體系之中，地基基礎(chǔ)的工作性狀對(duì)上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有明顯的影響，上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)地基基礎(chǔ)承載性能也有一定的貢獻(xiàn)。3．對(duì)地基非均勻沉降的敏感高層建筑由于豎向高度較高，重心也較高，基礎(chǔ)平面面積相對(duì)較小，地基非均勻沉降導(dǎo)致其重心偏移而造成傾斜的危害較多層建筑明顯。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證沉降和傾斜控制在允許的范圍內(nèi)。4．環(huán)境效應(yīng)高層建筑基礎(chǔ)工程施工的環(huán)境效應(yīng)是一個(gè)非常突出的問(wèn)題。為了滿足建筑功能和穩(wěn)定性要求，高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般具有較大的埋置深度。因此，經(jīng)濟(jì)合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和各種嚴(yán)密的防護(hù)措施也是高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)予重視的問(wèn)題。二、基礎(chǔ)類型1．十字交叉條形基礎(chǔ)1）基礎(chǔ)形式在柱網(wǎng)下縱橫兩向設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，形成如圖所示的十字交叉條形基礎(chǔ)。2）適用范圍通常在下列情況下宜采用十字交叉條形基礎(chǔ)：（1）上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載不是太大、柱網(wǎng)較為均勻、柱距較小且各柱荷載差異較小時(shí)；（2）地基土質(zhì)均勻、地基土承載力很高且壓縮性較小時(shí)；（3）建筑物無(wú)地下室要求時(shí)。2．筏板基礎(chǔ)1）基礎(chǔ)形式若上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載很大，上述十字交叉條形基礎(chǔ)不能提供足夠的底面積時(shí)，可將條形基礎(chǔ)的底面擴(kuò)大為整板基礎(chǔ)，簡(jiǎn)稱筏板基礎(chǔ)。

通常的筏板基礎(chǔ)是一塊等厚的鋼筋混凝土平板，稱為平板式筏基（圖a）；當(dāng)柱荷載較大時(shí)，可以加大柱下面的基礎(chǔ)板厚度，形成梁板式筏基，使其能承受相應(yīng)的剪力和負(fù)彎矩（圖b）；也可以設(shè)計(jì)成墩板式筏基（圖C）

如果柱距太大和柱荷載差產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力時(shí)，則可沿柱軸線采用加厚的基礎(chǔ)板肋帶，形成格形梁板式剛性結(jié)構(gòu)（圖d），或使基礎(chǔ)板與地下室墻組成剛架。

2）適用范圍一般在下列情況下考慮采用筏板基礎(chǔ)；（1）在軟土地基上，當(dāng)采用十字交叉條形基礎(chǔ)不能滿足建筑物的容許變形或地基承載力要求時(shí)；（2）當(dāng)建筑物的柱距較小，而柱荷載很大，必須將基礎(chǔ)連成一整體后才能滿足地基承載力要求時(shí)；（3）在風(fēng)荷載或地震作用下，欲使基礎(chǔ)有足夠的剛度和穩(wěn)定性時(shí)。3.箱形基礎(chǔ)1）基礎(chǔ)形式當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載較大，底層墻柱間距過(guò)大，地基承載力相對(duì)較低，采用筏板基礎(chǔ)不能滿足要求時(shí)，可采用箱形基礎(chǔ)。箱形基礎(chǔ)是由鋼筋混凝上底板、頂板和縱橫交錯(cuò)的隔墻組成的一個(gè)空間的整體結(jié)構(gòu)。這種基礎(chǔ)本身具有很大的剛度和整體性，能夠抵抗并協(xié)調(diào)由于軟弱地基在大荷載作用下產(chǎn)生的不均勻變形，并能加大基底面積，使上部荷載均勻地傳遞到地基土層中去，減少高層建筑的不均勻沉降，同時(shí)可以被利用作為地下室。

2）基礎(chǔ)特性（1）箱形基礎(chǔ)本身剛度很大，計(jì)算中可將上部結(jié)構(gòu)視為嵌固于基礎(chǔ)；（2）箱形基礎(chǔ)加深了高層建筑的基礎(chǔ)深度，增強(qiáng)了基礎(chǔ)和周圍土體的協(xié)同工作，因而可增加建筑物的整體穩(wěn)定性；（3）箱形基礎(chǔ)的埋深一般較大，既有利于提高地基承載力，又由于基礎(chǔ)體積所占空間部分挖去的土方重量能夠部分或全部抵消基礎(chǔ)重量，減小基底壓應(yīng)力，因而是一種理想的補(bǔ)償基礎(chǔ)；（4）箱形基礎(chǔ)較好的整體性使其具有較好的抗震性能。

4．樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)是高層建筑常用的基礎(chǔ)形式，具有承載能力大，能抵御復(fù)雜荷載以及能良好地適應(yīng)各種地質(zhì)條件的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于軟弱地基上的高層建筑，樁基礎(chǔ)是最理想的基礎(chǔ)形式之一。1）樁基礎(chǔ)作用特點(diǎn)（1）樁支承于堅(jiān)硬的或較硬的持力層，具有很高的豎向承載力，可以承擔(dān)高層建筑的全部豎向荷載；（2）樁基具有很大的豎向單樁剛度（端承樁）或群樁剛度（摩擦樁），在自重或相鄰荷載作用下，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沉降和不均勻沉降，容易保證地基變形和建筑物的傾斜不超過(guò)允許范圍；（3）由于樁基具有很大的側(cè)向剛度和整體抗傾覆能力，因而能夠抵御風(fēng)和地震作用產(chǎn)生的水平荷載和力矩，保證高層建筑的抗傾覆穩(wěn)定性；（4）樁身穿過(guò)可液化土層支承于穩(wěn)定的堅(jiān)實(shí)土層或嵌固于基巖，當(dāng)?shù)卣鹪斐蓽\部土層液化與震陷時(shí)，樁基可憑借深部穩(wěn)定土層仍具有足夠的抗壓與抗拔承載力；從而確保高層建筑的穩(wěn)定，且不產(chǎn)生過(guò)大的沉陷與傾斜。2）樁的基本形式常用的樁的形式按樁的傳力及作用性質(zhì)可分為端承型樁、摩擦型樁；按樁的制作方法可分為預(yù)制樁和灌注樁。（1）端承型樁上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)樁傳遞到堅(jiān)硬土層或巖層中，這種樁主要靠樁端反力提供支承力。端承型樁又分為端承樁和摩擦端承樁。端承樁指在極限承載力狀態(tài)下樁頂荷載由樁端阻力承受的樁，樁身表面與土的摩阻力一般可忽略不計(jì)。摩擦端承樁指在極限承載力狀態(tài)下樁頂荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)摩阻力所占份額不大，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該計(jì)入。（2）摩擦型樁高層建筑通過(guò)樁將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到樁周土體中，這種樁主要靠樁與土的摩擦力來(lái)提供支承力。摩擦型樁又分為摩擦樁和端承摩擦樁。摩擦樁指在極限承載力狀態(tài)下樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力承受的樁，樁端支承力可以略去不計(jì)；端承摩擦樁指在極限承載力狀態(tài)下樁頂荷載主要由樁側(cè)摩阻力承受的樁，樁端阻力較小，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該計(jì)入。（3）預(yù)制樁預(yù)制樁按其采用的材料，可分為鋼筋混凝土預(yù)制樁和預(yù)制鋼管樁兩大類。鋼筋混凝土預(yù)制樁有實(shí)心樁、管樁等，為了節(jié)省鋼材和提高樁身的抗裂性，也可采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁。預(yù)制鋼管樁具有強(qiáng)度高、擠土量小、截接方便、貫入性能好等優(yōu)點(diǎn)。鋼管樁可不加樁靴，直接開口打入，入土后有大量土體涌入鋼管樁內(nèi)，當(dāng)涌入樁內(nèi)的土達(dá)到一定高度后，因擠密把樁口封實(shí)，產(chǎn)生閉塞效應(yīng)。鋼管樁的缺點(diǎn)是用鋼量大，有可能增加建筑物的造價(jià)。（4）灌注樁灌注樁是在現(xiàn)場(chǎng)直接在所設(shè)計(jì)的樁位處成孔，然后在孔內(nèi)放置鋼筋籠、澆灌混凝土而形成的混凝土樁。目前，國(guó)內(nèi)外采用的灌注樁按施工方法不同可分為幾十種。與鋼筋混凝土預(yù)制樁相比，灌注樁具有適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在施工時(shí)必須嚴(yán)格保證樁身成型和混凝土澆灌質(zhì)量。上述幾種基礎(chǔ)形式是高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中所采用的幾種典型的基礎(chǔ)形式。事實(shí)上，隨著高層建筑的發(fā)展和施工技術(shù)的進(jìn)步，高層建筑基礎(chǔ)形式也得到了很大的發(fā)展，形式更加豐富，更加靈活多樣。目前在設(shè)計(jì)中已不僅僅只是采用上述某種單一的基礎(chǔ)形式，而是采用多種基礎(chǔ)的混合形