試論高層建筑框架結構的延性設計

謝 國

(大略建筑設計有限公司，重慶 404100)

1 引言

地震是能量以波的形式向各個方向傳播、釋放并引起振動的過程，其傷害力大，且難以預測。從唐山大地震、汶川大地震中可以看到，地震對建筑物的危害性是相當大，尤其是隨著我國城鎮(zhèn)化進程，高層建筑成了必不可少的組成部分，同時高層建筑抗震性能的優(yōu)良影響地震危害的一個輔助作用點。因此，如何有效保證高層建筑的抗震強度是高層建筑設計中的重中之重。

高層建筑是超過一定高度和層數(shù)的多層建筑。美國的高層建筑通常在24.6m或7層以上;日本的高層建筑通常在31m或8層及以上;英國的高層建筑通常等于或大于24.3m;自2005年起，中國規(guī)定超過10層的住宅建筑和超過24米高的其他民用建筑為高層建筑。相比較其它建筑，由于高層建筑具有層多樓高的特點，其必然將承受較大的荷載，因此，在高層建筑結構設計過程因考慮結構形式、柱網布置、剪力墻數(shù)量等眾多因素的影響，將地震帶來的損失盡量降低到最小。

針對高層建筑框架結構在大地震中會出現(xiàn)彈塑性變形的特點，通過對高層建筑框架結構進行延性設計，使得其在大地震中具有良好的抗變形及能量吸收與耗散能力，從而保證其良好的抗震能力。本文將針對某一高層建筑框架結構進行延性設計的探討。

2 工程概況

該高層建筑工程總建筑面積為24526.7m2，平面呈矩形，長55.6m，寬41.9m，地上高度為 59.9m，是一幢包括地下 1 層、地上12層的鋼筋混凝土框架-抗震墻結構的酒店，使用壽命50年，其中局部13層為凸出屋面的電梯機房、水箱間及冷卻塔;第1、2層為酒店會客廳、餐廳;第3層為總停車量為130個的雙層智能化立體式停車庫;第4、5層為大型會議室、辦公室和包間餐廳;第6層及其以上為客房;第12層加設一個直徑為15.1m、高為0.9m的圓形浴池，浴池上方凸出屋面部分，采用24m×17.4m的網架屋面。該高層建筑工程結構如圖1所示。

圖1 該高層建筑工程結構圖

3 延性設計

高層建筑框架結構的延性是框架結構后期的塑性變形能力，是高層建筑框架結構在進入破壞階段后，從鋼筋開始屈服進入破壞階段直至最大承載力時整個過程中，在承載能力沒有顯著下降的情況下承受塑性變形的能力。高層建筑框架結構的延性設計就是為了防止結構發(fā)生脆性破壞，實現(xiàn)塑性內力重分布，承受非地震作用的偶然荷載，以確保其在中等地震作用后，加以修復仍可重新使用;在強地震下不至于倒塌，從而保證人們的生命安全。高層建筑框架結構的荷載與位移的關系曲線如圖2所示。

圖2 結構荷載—位移曲線

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)顯示，抗震性能化設計是我國抗震設計發(fā)展趨勢。目前，在實際工程中大部分高層建筑框架結構工程抗震設計仍然采用低承載力高延性設計。低承載力高延性設計具有良好的造價低廉是符合目前我國經濟情況的，高承載力低延性設計雖然具有良好的抗震能力，但是其高昂的造價是與目前我國經濟所不相適應的。因此，本文仍沿用我國目前的大部分采用的低承載力高延性設計方法。

高層建筑框架結構主要包括了梁、柱以及節(jié)點等結構，那么梁、柱以及節(jié)點的延性影響著高層建筑框架結構的延性。高層建筑框架結構的延性設計就包括了梁、柱以及節(jié)點的延性設計。

首先，在梁的延性設計中，應關注以下幾個因素：鋼筋和混凝土強度等級、梁截面尺寸、梁縱筋配筋率、剪壓比、配箍率。梁是鋼筋混凝土框架的主要延性耗能構件。在框架梁的設計中，應避免梁的受拉程度超出其配筋的極限，以免引起配筋發(fā)生脆性破壞;另外，配置受壓鋼筋，在梁的兩端必須設置箍筋加密區(qū)，以增大其延性，避免在地震中出現(xiàn)豎向裂縫或斜裂縫;再則，可以采取措施使塑性鉸外移，將塑性鉸從柱面移開一定距離，避免梁端鋼筋屈服后向核心區(qū)發(fā)展，引起粘結破壞。梁的延性設計如圖3所示。

圖3 梁的延性設計示意圖

其次，在柱的延性設計中，應關注以下幾個因素：混凝土的強度等級、框架柱的截面形狀、軸壓比、剪跨比、縱向鋼筋的配筋率、箍筋的形式及箍筋的間距，應避免短柱，控制軸壓比，以此來有效地防止框架柱發(fā)生脆性破壞，保證框架結構的良好延性。采用分體柱結構進行設計，如圖4所示。該結構的剪跨比是整體柱的兩倍。

圖4 分體柱示意圖

分體柱具體的參數(shù)根據(jù)式(1)來計算。根據(jù)“雙控”條件公式(1)，“雙控”即軸壓比、剪跨比的控制條件。

可知柱凈高與當前層梁高有關，梁高則是與單柱樓蓋負荷面積有關，因此在柱的延性設計過程中，應采用兩次反饋設計來確定柱網布置參考表。第一次，將當前層層高H作為柱凈高代入公式(1)中計算準單柱樓蓋負荷面積S1，將S1代h1式以計算出近似框架梁截面高;第二次，將柱凈高H0=H-hi代入(1)式求出最終單柱樓蓋負荷面積S。

最后，在節(jié)點的延性設計中，應關注以下幾個因素：鋼筋和混凝土強度等級、節(jié)點形式、軸壓比、剪壓比、水平箍筋和豎向箍筋、柱縱向鋼筋、樓板、偏心影響。節(jié)點的延性設計的基本要求是在梁柱構件達到極限承載力之前不應發(fā)生破壞?？蚣芰汉涂蚣苤目v向受力鋼筋在框架節(jié)點區(qū)的錨固和搭接符合規(guī)范要求，且柱縱向鋼筋在中間各層節(jié)點內不截斷;框架節(jié)點核心區(qū)箍筋配置符合規(guī)范要求。

4 結論

目前，延性結構是一種有效減少建筑物在地震中造成損害的結構，經過大量震害調研，延性結構具有良好的維持承載能力又可有較大的塑性變形能力，具有良好的抗震性。在我國城鎮(zhèn)化進程下，高層建筑是一種必然，且為了高層建筑具有良好的靈活使用功能，框架結構是一種趨勢。本文就是在這種情況下，針對高層建筑框架結構的梁、柱及節(jié)點三個重要組成部分的延性設計進行了相應的論述，以期待其在高層建筑框架結構的延性設計方面起到作用，以提高高層建筑的抗震能力，保證人們的生命財產安全。

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