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(jié)構(gòu)設計過程因考慮結(jié)構(gòu)形式、柱網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wǎng)架屋面。該高層建筑工程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 該高層建筑工程結(jié)構(gòu)圖

3 延性設計

高層建筑框架結(jié)構(gòu)的延性是框架結(jié)構(gòu)后期的塑性變形能力，是高層建筑框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的延性設計就是為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，實現(xiàn)塑性內(nèi)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(jié)構(gòu)的荷載與位移的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)主要包括了梁、柱以及節(jié)點等結(jié)構(gòu)，那么梁、柱以及節(jié)點的延性影響著高層建筑框架結(jié)構(gòu)的延性。高層建筑框架結(jié)構(gòu)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(guān)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(gòu)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(jié)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(guān)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(jié)構(gòu)的良好延性。采用分體柱結(jié)構(gòu)進行設計，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)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(guān)，梁高則是與單柱樓蓋負荷面積有關(guān)，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(wǎng)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(guān)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(gòu)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(nèi)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(jié)論

目前，延性結(jié)構(gòu)是一種有效減少建筑物在地震中造成損害的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過大量震害調(diào)研，延性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是一種趨勢。本文就是在這種情況下，針對高層建筑框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)安全。

[1]楊淑紅，加強延性設計提高結(jié)構(gòu)抗震性能[J]，山西建筑，2013，6(39)：12-14.

[2]何建，在多層及高層建筑結(jié)構(gòu)初步設計中延性柱設計的實用方法[J]，有色金屬設計，1994，(1)：20-24.

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