高層建筑結構概念設計（word16頁）

1、PAGE 2PAGE 15目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc458865497 1概念設計 PAGEREF _Toc458865497 h 1 HYPERLINK l _Toc458865498 2結構概念設計 PAGEREF _Toc458865498 h 1 HYPERLINK l _Toc458865499 3高層建筑結構設計的特點 PAGEREF _Toc458865499 h 2 HYPERLINK l _Toc458865500 4概念設計的原則 PAGEREF _Toc458865500 h 3 HYPERLINK l _Toc45886550

2、1 4.1結構剛柔的選擇 PAGEREF _Toc458865501 h 4 HYPERLINK l _Toc458865502 4.2結構平面布置宜剛度均勻 PAGEREF _Toc458865502 h 4 HYPERLINK l _Toc458865503 4.3結構沿豎向剛度宜均勻 PAGEREF _Toc458865503 h 5 HYPERLINK l _Toc458865504 5高層建筑抗震性能概念設計 PAGEREF _Toc458865504 h 6 HYPERLINK l _Toc458865505 5.1延性結構和構件的概念 PAGEREF _Toc458865505

3、h 6 HYPERLINK l _Toc458865506 5.2工程結構場地的選擇 PAGEREF _Toc458865506 h 7 HYPERLINK l _Toc458865507 5.3合理的基礎設計 PAGEREF _Toc458865507 h 7 HYPERLINK l _Toc458865508 5.4“三強三弱” PAGEREF _Toc458865508 h 8 HYPERLINK l _Toc458865509 5.4.1抗震框架屈服機制 PAGEREF _Toc458865509 h 8 HYPERLINK l _Toc458865510 5.4.2強柱弱梁 PAGE

4、REF _Toc458865510 h 8 HYPERLINK l _Toc458865511 5.4.3強剪弱彎 PAGEREF _Toc458865511 h 9 HYPERLINK l _Toc458865512 5.4.4強節(jié)點弱構件 PAGEREF _Toc458865512 h 10 HYPERLINK l _Toc458865513 5.5設計多道設防結構 PAGEREF _Toc458865513 h 11 HYPERLINK l _Toc458865514 5.5.1超靜定結構 PAGEREF _Toc458865514 h 11 HYPERLINK l _Toc458865

5、515 5.5.2雙重抗側力體系 PAGEREF _Toc458865515 h 11 HYPERLINK l _Toc458865516 5.6 加強結構的整體性 PAGEREF _Toc458865516 h 12 HYPERLINK l _Toc458865517 5.7 轉換層設計 PAGEREF _Toc458865517 h 12 HYPERLINK l _Toc458865518 6高層建筑創(chuàng)意與結構概念設計的關系 PAGEREF _Toc458865518 h 13 HYPERLINK l _Toc458865519 6.1建筑與結構概念設計 PAGEREF _Toc45886

6、5519 h 13 HYPERLINK l _Toc458865520 6.2結構概念設計對建筑設計的作用 PAGEREF _Toc458865520 h 13 HYPERLINK l _Toc458865521 6.3 建筑師與結構工程師的關系 PAGEREF _Toc458865521 h 13 HYPERLINK l _Toc458865522 7結語 PAGEREF _Toc458865522 h 14 HYPERLINK l _Toc458865523 參考文獻 PAGEREF _Toc458865523 h 15高層建筑結構概念設計摘要：本文主要通過查閱文獻和閱讀相關書籍，更加深刻

7、的了解了高層建筑結構的概念設計。對概念設計、結構概念設計的含義有了進一步了解。認識了高層建筑結構設計的特點，歸納課概念設計的一般原則。并對高層建筑抗震性能概念設計做了比較詳細的歸納總結，其中包括延性結構和延性構件，工程場地的選擇，合理的基礎設計，抗震設計中的“三強三弱”，設計多道設防結構，結構的整體性，以及歸納了高層建筑藝術創(chuàng)意與結構概念設計的邏輯互動的關系。關鍵詞：概念設計，結構概念設計，概念設計原則，抗震性能，邏輯互動1 概念設計概念設計是指以工程概念為依據(jù)，用符合工程客觀規(guī)律和本質的方法，不經(jīng)過數(shù)值計算，對一些難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題，依據(jù)整體結構體系與分體之間的力學

8、關系，結構破壞機理，震害，試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。高層建筑由于其高度原因,結構受力十分復雜，除了來自本身極大的自重和使用荷載外，還有來自水平方向的風荷載和地震作用，后者往往成為控制建筑結構設計的主要因素。1由于高層建筑結構的復雜性；發(fā)生地震時地震動的不確定性；我們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性；高層建筑結構計算尤其是抗震分析計算的精確性；材料性能與施工安裝的變異性以及其他不可預見的因素等，導致設計計算結果（特別是簡化計算的結果）可能和實際相差較大，甚至有些作用效應至今還無法定量計算出來。因此在設計中，雖然

9、定量的分析計算是必須的，也是設計的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到預期的設計目標。還必須非常重視概念設計。2而這些原則，規(guī)定與方法往往是基礎性、整體性、全局性和關鍵性的。有些概念設計的要求，為整個設計設置二道防線，保證了建筑物的安全可靠。從某種意義上講，概念設計甚至比分析計算更為重要。2 結構概念設計結構概念設計是運用人的思維和判斷能力，從宏觀上決定結構設計中的基本問題。結構具體來說就是有效地選擇結構體系，與高層建筑物的使用要求相互協(xié)調。首先應對使用空間的性質加以分析：如空間的大小、形狀、各部分組成關系，及一些由于使用需要而提出的特殊要求等，然后再從平面形式、剖面

10、形式等方面綜合進行協(xié)調，使各空間的要求與其所對應的平、剖面形式相吻合。地震動及其影響是不確定的，結構計算模型的假定與地震時的實際工作有很大的差異，但是地震動及其影響又具有一定的規(guī)律性。對于高層建筑而言，一個合理的抗震設計，需要建筑師和結構工程師的密切配合，不能僅僅依賴于“計算設計”，而往往在很大程度上取決于良好的概念設計。高層建筑抗震概念設計的基本內容有3個部分：一是建筑設計應重視結構的規(guī)則性；二是建筑設計應選擇合理的結構體系；三是結構設計應考慮構件和整體結構的延性。對于第三項內容主要由結構工程師來把握，對于第一、第二項要求，則必須由有經(jīng)驗的、有抗震知識素養(yǎng)的建筑師和結構工程師在方案設計階段中

11、共同考慮，并討論幾種可供選擇的結構形式，以便在結構專業(yè)開始設計之前，就能把不合要求的幾何圖形排除在體系之外。3 高層建筑結構設計的特點1.高層建筑結構設計的特點(1)高層建筑結構設計與低層多層建筑結構設計相比較，結構專業(yè)的各專業(yè)中占有更重要的地位。不同結構體系的選擇,直接關系到建筑平面布置，立面體型，樓層高度，機電管道的設置，施工技術要求，施工工期的長短和投資造價的高低。(2)高層結構設計中水平力是設計的主要因素。在低多層房屋結構中，水平力產(chǎn)生的影響較小，以抵抗豎向荷載為主，側向位移小，通?？梢院雎圆挥?。在高層結構設計中，隨著結構高度的增加，水平力(風荷載或地震作用)產(chǎn)生的內力和位移迅速增大。

12、(3)高層建筑結構設計中，不僅要求結構具有足夠的承載力，而且必須使結構具有足夠的抵抗側向力的剛度，將結構在水平力作用下所產(chǎn)生的側向位移限制在規(guī)范規(guī)定的范圍內。因此，高層建筑所需的側向剛度由位移控制。(4)高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣基礎條件下，減輕房屋自重意味著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。另外地震效應是與建筑的質量成正比的，減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效方法。因此在高層建筑中，結構材料宜采用高強度材料。(5)在高層建筑的抗風設計中，應保證結構有足夠承載力，必須具有足夠的剛度；控制好在風荷載作用下的位

13、移值，保證有良好的居住和工作條件；維護結構和裝飾構件必須有足夠的承載力，并與主體結構可靠連接。(6)有抗震設防的高層建筑應進行詳細勘察，摸清地質情況，選擇位于開闊平坦地帶，具有較好場地土的對抗震有利的地段。(7)地基基礎的承載力和剛度要與上部結構的承載力和剛度相適應。當上部結構與基礎連接部位考慮受彎承載力增大時，相臨基礎及上部結構嵌固部位的地下室結構，應考慮彎矩增大的作用。(8)剪跨比和剪壓比是判別梁、柱和墻肢等抗側力構件抗震性能的重要指標。剪跨比用于區(qū)分變形特征和變形能力，剪壓比用于限制內力，保證延性。4 概念設計的原則1 全面考慮原則8在做結構概念設計時，首先要對其所涉及的各個方面作全面的

14、考慮。它包括建筑、結構和施工等方面的綜合考慮，以及整體、局部和它們間關系方面的考慮。這3個方面的考慮構成了結構概念設計時的三維構思。2 功能協(xié)調原則結構概念設計時，應盡可能做到建筑、結構、設備和施工手段的功能協(xié)調，以便取得盡可能大的效能和盡可能多的效益。3實際出發(fā)原則概念設計時必須從實際出發(fā)處理所遇到的各種問題。例如認真考慮當?shù)毓逃械淖匀粭l件(如氣候、建筑地段、地質條件等)、當?shù)貧v史形成的人文條件(如文化背景、已建建筑物等)、當?shù)禺敃r的資源條件(如資金、原材料、設施等)。因而:(1)概念設計前要對當?shù)氐膶嶋H情況進行全面了解和分析；(2)概念設計時所取的各種條件要符合當?shù)禺敃r實際可能；(3)所做

15、的概念設計方案必須充分滿足未來使用時的實際需要。4 精益求精原則。概念設計包括結構概念設計往往是多種方案比較優(yōu)選的過程。5 優(yōu)化選型原則：優(yōu)化結構體系。前提是掌握各類基本構件的特征(如與受力相關的幾何特征，與變形相關的剛性特征等)，根據(jù)環(huán)境、使用、建筑和荷載實況優(yōu)化選擇合適的主要結構體系；優(yōu)化結構布置。在滿足使用要求和建筑意向前提下優(yōu)化布置主要受力構件，重要的原則是平立面宜規(guī)則、對稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規(guī)整外側向剛度宜均勻變化，自下而上逐漸減小，避免突變。高層建筑結構抗震設計的目標是使整體結構能發(fā)揮耗散地震能量的作用，避免結構出現(xiàn)敏感的薄弱部位，地震能量的耗散僅集中在極少數(shù)薄弱部位，

16、導致結構過早破壞?，F(xiàn)有抗震設計方法的前提之一是假定整個結構能發(fā)揮耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用進行結構計算、構件設計并加以構造措施，或動力時程分析進行驗算，以試圖達到罕遇地震作用下結構不倒的目標?？拐鸶拍钤O計應遵循以下原則：(1)結構的簡單性。(2)規(guī)則和均勻性。(3)結構的剛度和抗震能力。(4)結構的整體性。4.1結構剛柔的選擇結構設計時應將結構設計成剛一些，還是柔一些，在建立抗震設計概念的初期，是個爭論的問題，因為剛度大的結構地震作用大，顯然要求較大的構件尺寸和鋼材用量，似乎是不經(jīng)濟的；而較柔的結構地震作用小，但是變形較大，可節(jié)省材料，而一般認為框架的變形性能好，剪力墻

17、變形性能差，主張選用較柔的框架結構，因而早期的設計對高層建筑應用剪力墻結構的限制較多。實際上，歷次大地震都說明框架結構的震害比較大，設置剪力墻的結構震害較小，主要是因為剪力墻剛度大。事實說明結構的變形較小，震害就比較少。當然，不能得出剛度愈大愈好的結論，因為確實剛度愈大，地震作用愈大，材料用量會增加。按照延性框架要求設計的鋼筋混凝土框架結構在地震作用下也有表現(xiàn)很好的實例。此外，結構振動和變形的大小不僅與結構剛度有關，還與場地土有關，當結構自振周期與場地土的卓越周期接近時，建筑物的地震反應會加大，無論振動變形還是地震力都會加大。因此，對于高層建筑抗震設計，不能做出“剛一些好”，還是“柔一些好”這

18、樣的簡單結論，應該結合結構的具體高度、體系和場地條件進行綜合判斷，無論如何，重要的是設計時要進行變形限制，將變形限制在規(guī)范許可的范圍內，要使結構有足夠的剛度，設置部分剪力墻的結構有利于減小結構變形和提高結構承載力；同時，應根據(jù)場地條件來設計結構，硬土地基上的結構可柔一些，軟土地基上的結構可剛一些?？赏ㄟ^改變高層建筑結構的剛度調整結構的自振周期，使其偏離場地的卓越周期。4.2結構平面布置宜剛度均勻歷次地震震害經(jīng)驗表明：簡單和規(guī)則的結構遭遇地震后的破壞較輕。通常認為簡單的結構其受力性能比較明確，設計時容易分析結構在地震作用下的反應和內力分布規(guī)律，且結構細部的構造也好處理。形狀的簡單和復雜又是怎樣區(qū)

19、別呢？通常認為簡單的平、立面圖形是方形或圓形的，而復雜的圖形是有凹角的，容易造成有應力集中或變形集中的薄弱環(huán)節(jié)。抗震設計能做到平、立面簡單當然是較理想的，但實際工作中，建筑的平、立面出現(xiàn)凹角是經(jīng)常的，比較現(xiàn)實的做法是要求建筑體型規(guī)則一些，規(guī)則的意思是有一定的對抗震有利的要求，也允許帶有一定限度區(qū)的復雜性質。區(qū)分規(guī)則與不規(guī)則的界限很難劃定。我國新的高層建筑結構設計規(guī)程給出了一些劃分原則。 抗震結構平面布置宜簡單、規(guī)則，盡量減少突出、凹進等復雜平面，但是，更重要的是結構平面布置時要盡可能使平面剛度均勻，所謂平面剛度均勻就是“剛心”與質心靠近，減少地震作用下的扭轉。扭轉對結構的危害很大，減少結構扭轉

20、引起的破壞一般從兩個方面人手，一是減少地震引起的扭轉，二是增加結構抵抗扭轉的能力。平面剛度是否均勻是地震是否造成扭轉破壞的重要原因，而影響剛度是否均勻的主要因素是剪力墻的布置，剪力墻集中布置在結構平面的一端是不好的，大剛度抗側力單元偏置的結構在地震作用下扭轉大，對稱布置剪力墻、邊布置剛度很大的框筒抵抗扭轉。井筒有利于減少扭轉。周邊布置剪力墻都是增加結構抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉。為了減少地震作用下的扭轉，還要注意平面上質量分布，質量偏心會引起扭轉，質量集中在周邊也會加大扭轉。對于有些平面上有突出部分的建筑，例如L形、的平面，即使總體平面對稱，還會表現(xiàn)出局部扭轉。如圖1所示：3圖1 L形

21、平面結構的局部扭轉a）高振型 b）扭轉變形 c）端部加強措施4.3結構沿豎向剛度宜均勻均勻性問題存在于建筑的豎向布置中，無論是幾何圖形還是樓層剛度變化其規(guī)則勻稱應該是立面設計中優(yōu)先考慮的。布置不均勻的結果產(chǎn)生了剛度、強度的突變，引起豎向的應力集中或變形集中，以致在中小型地震中損壞，在大震時倒塌。但是，要使結構做到完全均勻性，在實際設計中也有一定的困難。均勻性問題表現(xiàn)如下：其一，豎向收進問題。豎向收進是常見的建筑處理方式，結構上產(chǎn)生的問題是在凹角處應力集中。由于房屋的不同部分其振動特征不同，所以在收進處的橫隔（樓蓋或屋面板）產(chǎn)生應力突變，為此，在抗震設計時，可考慮幾種處理方法：限制收進尺寸；當設

22、置防震縫有利時，可設縫把復雜的體型劃分成若干簡單、規(guī)則的獨立單元，分割后的建筑體型應是均衡的，不致過分細高；不設縫時應進行較細致的空間動力分析；對剛度突變的構件采取加強措施。其二，柔性層框架。建筑上往往因底層需要開敞或任意層需要大的空間，使結構處于上下不連續(xù)狀況，產(chǎn)生豎向剛度突變，特別是柔性底層建筑，在歷次大地震中，震害都很普遍，甚至完全倒塌。分析研究表明，這類構件的應力和變形集中是非常嚴重的，所以在抗震設計時應力求避免，底層應盡可能配置具有相當強韌性的構件以承受大的側移。其三，同一層間的柱子剛度不同。建筑上由于空間需要或由于藝術構思，使得同一層間柱子的剛度差異較大，通常在剛性較大的柱子上產(chǎn)生

23、較大的內力。為此設計時宜從抗震的角度重新安排結構系統(tǒng)，以使剛度盡量均衡。其四，抗震墻的不連續(xù)。由于建筑上的需要，可能出現(xiàn)上下不連續(xù)的抗震墻，這就產(chǎn)生了不均勻性，為此在設計時，應考慮限制上下層的剛度以及連續(xù)抗震墻的間距。其五，填充墻設置的影響?？蚣軆鹊奶畛鋲θ粼O置不當，地震時往往會改變結構的受力狀態(tài)而產(chǎn)生不利影響。例如，由于填充墻設置不當，可使框架柱形成短柱而造成破壞。為此在設計時，應把墻同柱分開或采用輕質墻以使框架柱連續(xù)。圖2 沿高度剛度不均勻a）框支剪力墻的變形 b）中間樓層軟弱或大剛度 c）鞭梢效應5高層建筑抗震性能概念設計5.1延性結構和構件的概念延性是指構件和結構屈服后，具有承載能力不

24、降低或基本不降低、且有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比表示延性即塑性變形能力的大小。塑性變形可以耗散地震能量，大部分抗震結構在中震作用下都有部分構件進人塑性狀態(tài)而耗能，耗能性能也是延性好壞的一個指標。構件延性延性比是指極限變形(曲率、轉角或撓度f)與屈服變形的比值。屈服變形定義是鋼筋屈服時的變形，極限變形一般定義為承載力降低10%一20%時的變形。結構延性比對于一個鋼筋混凝土結構，當某個構件出現(xiàn)塑性鉸時，結構開始出現(xiàn)塑性變形，但一個構件屈服只會使結構剛度略有降低;當出現(xiàn)塑性鉸的構件數(shù)量增多以后，結構的塑性變形逐漸加大，結構剛度繼續(xù)降低;當塑性鉸達到一定數(shù)量以后，結構也會出現(xiàn)“屈服”現(xiàn)象

25、，即結構進人變形迅速增大而承載力略微增大的塑性階段，稱為“屈服”后的彈塑性變形階段，結構“屈服”時的位移定為屈服位移，當整個結構不能維持其承載能力，即承載能力下降到最大承載力的80%一90%時，達到極限位移。結構延性比通常是指極限頂點位移。顯然，結構“屈服”的特征常常不明顯，結構“屈服”有個過程，確定，的數(shù)值有困難，雖有一些簡化方法，但是很難具有明確物理意義，也很難統(tǒng)一，因此，結構延性比數(shù)值常常是不確定的，很難定量，但是作為概念，結構的延性具有重要意義。如圖3所示：圖3 結構的延性比5.2工程結構場地的選擇從“512漢川地震的震害事實可以看出，按照概念設計的基本原則選擇對抗震有利的場地，還是能

26、夠在很大程度上減輕人員傷亡和經(jīng)濟損失。例如，四川彭州市白鹿鎮(zhèn)中學的兩棟教學樓分別位于發(fā)震斷裂帶兩側，地震時斷裂錯動2.lm，但由于教學樓避開了斷裂帶，并且建筑質量較好，樓房并沒有倒塌。而破壞十分嚴重的北川縣則是位于印度板塊和亞洲板塊積壓斷裂帶，其坐落在河灘松散堆積物之上，場地效應和地基失效使破壞加劇，典型的地震多發(fā)區(qū)，大量的山體滑坡和巖石崩塌使得災害雪上加霜。在場地的選擇時，應根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況、工程地質和地震地質的有關資料，作出綜合評價，對無法充分評價的場地或地震作用所產(chǎn)生的后果不能在結構設計中予以考慮的場地應避開。選擇對抗震有利地段，不應在發(fā)震斷裂帶等危險地段建造甲、乙、丙類建

27、筑。場地中存在軟粘土、液化土時，應估計地震時地基不均勻沉降或其它不利影響，并采取相應措施45.3合理的基礎設計在進行高層建筑的基礎設計時，應遵循以下原則:(1)高層建筑宜設置地下室，同一結構單元的地基在性質上不能截然不同，地基及基礎埋入地下的深度要相同，地下室應當布置到整個結構單元，以確保地基及基礎的結構整體性，總而達到抗震的整體最優(yōu)。5(2)地震區(qū)鋼筋鋼筋混泥土高層建筑結構選型及構造措施建議一文中對基礎埋深提出以下的參考意見:“對一般砂粘土類地基，基礎埋置深度不宜小于建筑地面以上高度的1/12。對于樁基，不宜小于1/15，樁的長度不計算在埋置深度內。對巖石類地基，可不考慮埋深要求，但應有可靠

28、的錨固措施”。(3)高層建筑的高層部分與多層裙房之間，根據(jù)地基與上部結構的條件，可設沉降縫(在地震區(qū)兼作防震縫)，也可不設沉降縫。如有沉降縫，應將室外地坪以下之縫用粗砂填滿填實，以保證側限約束65.4“三強三弱”規(guī)范要求實現(xiàn)“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)弱桿”的要求體現(xiàn)出了結構抗震概念的思想。5.4.1抗震框架屈服機制對于框架，可能的屈服機制有梁鉸機制、柱鉸機制和混合機制幾種類型，由地震震害、試驗研究和理論分析可以得到梁鉸機制(整體機制)優(yōu)于柱鉸機制(局部機制)的結論。梁鉸機制之所以優(yōu)于柱鉸機制是因為：1）鉸分散在各層，即塑性變形分散在各層，梁出現(xiàn)塑性鉸不至于形成“機構”而倒塌，而柱鉸集中在某一層

29、時形集中在該層，該層成為軟弱層或薄弱層，則易形成倒塌，塑性變“機構”；2）梁鉸機制中鉸的數(shù)量遠多于柱鉸機制中鉸的數(shù)量，散的能量更多，在同樣大小的塑性變形和耗能要求下因而梁鉸機制耗，對梁鉸機制中鉸塑性轉動能力要求可以低一些，容易實現(xiàn)；3）梁是受彎構件，容易實現(xiàn)大的延性和耗能能力，柱是壓彎構件，尤其是軸壓比大的柱，要求大的延構延性好性和耗能能力是很困難的。實踐證明，設計成梁鉸機制的結。實際工程設計中，很難實現(xiàn)完全梁鉸機制，往往是既有梁鉸、又有柱鉸的混合鉸機制。3圖4 框架屈服機制a）梁鉸機制 b）柱鉸機制 c）混合鉸機制5.4.2強柱弱梁為了了解地震作用對框架梁、柱構件的延性要求和影響因素，美國R

30、. W. Clougt教授早在1966年就做了關于強柱弱梁框架的研究7，通過對一個2C層框架結構的彈塑性地震反應分析，對比了不同強度的梁和不同強度的柱在地震作用下的延性比要求。圖5a是20層框架結構的幾何尺寸和每個樓層重量，圖5b列出了所有構件的剛度比，各構件剛度由下向上逐漸減小，標準框架的基本自振周期是2.2s。采用1940年E1 Centro地震記錄南北方向分量作為地面運動的輸入波，計算最初Ss的反應。圖5a比較結構側移，除接近頂部的幾層以外，梁的強度對側移影響不大；圖5b是對梁延性要求的比較，梁的強度和延性要求幾乎成反比，梁強度最高的框架中，大多數(shù)梁尚未屈服或剛剛屈服，梁的強度愈小，梁的

31、延性比要求愈大(屈服愈早的梁，塑性變形必然愈大)；圖5c是對柱軸力的影響，明顯可見，梁強度愈大，柱的軸力也愈大；圖5d是對柱延性比要求的比較，各種情況中，16層以下的柱延性系數(shù)均小于1(尚未屈服)，而在上部，則梁的強度愈大，柱子的延性比要求愈高。圖5 梁屈服強度比為1.5、2、4三種情況的比較上述比較具體說明了強柱弱梁設計所達到的效果：降低梁的強度可以降低對柱延性比的要求，可以減小柱的軸力，雖然對梁的延性比要求增大了，但是梁是延性很好的構件，容易實現(xiàn)。5.4.3強剪弱彎在框架結構中除了把梁設計為強剪弱彎之外，對其他不同的結構形式也必須滿足這一概念。鋼筋混凝土框架一剪力墻結構體系(以下簡稱為框一

32、剪結構)由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成，框架的梁柱為剛接，框架與剪力墻可為剛接，也可為絞接?？蚣芙Y構的層抗推剛度上下比較均勻，在水平地震作用下其變形曲線為剪切型，即層間側移越往下越大：而剪力墻的層抗推剛度底層很大，越往上急驟變小，其變形曲線為彎曲型，即層間側移越往上越大。所以，把框架結構和剪力墻結構布置在一個結構單元中，用平面無限剛的樓板把兩種結構連系成一整體，可以起到互相取長補短的作用。剪力墻的抗震作用隨著剪力墻的增多而減小，甚至多到一定數(shù)量，剪力墻再增多時，其抗震作用不會再提高，反而使結構的造價提高。在結構概念設計階段，簡捷、正確地確定框架一剪力墻結構中剪力墻最優(yōu)數(shù)量，可避免

33、重復、煩瑣的結構剛度調整計算。因此正確選擇剪力墻剛度，確定剪力墻最優(yōu)數(shù)量是一個很切實的問題，也是目前工程屆普遍關注的問題之一。剪力墻的類型不同，墻肢和連梁相對配筋數(shù)量不同，會出現(xiàn)不同的破壞機制，見圖6：圖6 剪力墻的破壞形式a）懸臂墻 b）整體小開口墻 c）強墻弱梁聯(lián)肢墻 d）連梁剪壞聯(lián)肢墻比較以上各種情況，明顯可見，c, d兩類剪力墻符合超靜定結構和多道設防原理，有利于抗震，而a, b兩類破壞形態(tài)不利于抗震，其中關鍵的問題是連梁的設計，連梁不能太強，跨高比大的連梁使剪力墻形成“整體小開口剪力墻”其性能與懸臂墻接近，連梁抗彎配筋太多，墻肢相對較弱(連梁不屈服)也是不利的。應該設計“強墻弱梁”的

34、聯(lián)肢剪力墻。對于連梁，也應該設計成強剪弱彎的形式。5.4.4強節(jié)點弱構件能量以保持結構的抗震要求。混凝土框架節(jié)點是框架結構的傳力樞紐9-11，國內外歷次地震調查結果顯示混凝土框架結構破壞經(jīng)常發(fā)生在框架節(jié)點區(qū)。在地震作用下框架節(jié)點破壞形式有梁鉸破壞、柱鉸破壞、核心區(qū)破壞和粘結錨固破壞。節(jié)點承受較大的水平剪力，核心區(qū)破壞是剪切破壞，易造成脆性破壞性質，會使結構處于極為不利狀態(tài)，因此抗震設計準則要求“強節(jié)點弱構件”。我國混凝土結構規(guī)范和抗震規(guī)范關于框架梁柱節(jié)點有較詳細的規(guī)定12-14。節(jié)點不宜作為能量耗散的主要部分，節(jié)點的變形原則上應限制在彈性范圍內。所以，不能僅靠節(jié)點的箍筋配置來保證不發(fā)生核心區(qū)破

35、壞，而應靠限制節(jié)點的核心區(qū)大小來保證節(jié)點所能承受的剪力，因此，限制節(jié)點的尺寸大小是“強節(jié)點弱構件”抗震準則的重要保證，各國規(guī)范在框架節(jié)點有關抗震規(guī)定中都有體現(xiàn)。核心區(qū)的受剪是由空間斜壓桿機構和析架機構共同作用的，因此節(jié)點的水平截面和梁高的大小都是影響核心區(qū)受剪能力的因素?？蚣芄?jié)點多維加載試驗和有限元非線性分析都表明:要使框架節(jié)點產(chǎn)生梁鉸破壞不發(fā)生核心區(qū)破壞，梁高也是重要影響因素，但規(guī)范上限制核心區(qū)的尺寸時反映了梁的寬度以及柱的截面尺寸影響，而梁的高度影響因素沒有在公式中加以強調，這會使一些設計人員設計時忽略梁高因素，應進一步加強梁高的影響研究，并在規(guī)范中有關節(jié)點抗震要求予以考慮進去，在公式面尺

36、寸限制中予以反映，以保證框架結構強節(jié)點設計。在工程設計中考慮框架強節(jié)點弱構件的設計準則時，要適當控制梁高，不能為了追求經(jīng)濟效應，在梁高設計上放松警惕。設計時要保證一定的梁剛度，來保證核心區(qū)的抗震能力，使在罕遇地震或超烈度地震作用下時，發(fā)生的是梁鉸耗能和梁鉸破壞機制。155.5設計多道設防結構5.5.1超靜定結構靜定結構，也就是只有一個自由度的結構，在地震中只要有一個節(jié)點破壞或一個塑性鉸出現(xiàn)，結構就會倒塌。抗震結構必須做成超靜定結構，因為超靜定結構允許有多個屈服點或破壞點。將這個概念引伸，不僅是要設計超靜定結構，抗震結構還應該做成具有多道設防的結構，第一道設防結構中的某一部分屈服或破壞只會使結構

37、減少一些超靜定次數(shù)。例如帶有連梁的剪力墻或實腹筒(聯(lián)肢剪力墻)，在第一道設防結構連梁破壞以后，還會存在一個能夠獨立抵抗地震作用的結構;又如框架一剪力墻(筒體)、框架一核心筒、筒中筒結構，無論在剪力墻屈服以后(剪力墻剛度退化)，或者在框架部分構件屈服以后(框架剛度退化)，另一部分抗側力結構仍然能夠發(fā)揮較大作用，雖然會發(fā)生內力重分布，它們仍然能夠共同抵抗地震，多道設防的結構不容易倒塌。要注意分析并且控制結構的屈服或破壞部位，及破壞過程只允許屈服。有些部位允許屈服或甚至允許破壞，控制出鉸次序而有些部位則，不允許破壞，甚至有些部位不允許屈服。5.5.2雙重抗側力體系這里要提出雙重抗側力體系的概念。雙重

38、抗側力體系的特點是:由兩種受力和變形性能不同的抗側力結構組成，每個抗側力結構都具有足夠的剛度和承載力，可以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板連接協(xié)同工作，共同抵抗外力，特別是在地震作用下，當其中一部分有所損傷時，另一部分應有足夠的剛度和承載力能夠擔當共同抵抗后期地震的任務。在抗震結構中設計雙重抗側力體系便于實現(xiàn)多道設防，是安全而可靠的結構體系。除了聯(lián)肢剪力墻以外，還有框架一剪力墻(筒體)、框架一核心筒、筒中筒等結構都可能成為雙重抗側力體系，也應該設計成雙重抗側力體系，以便實現(xiàn)抗震設計的多道設防。美國規(guī)范16中提出，在框架-剪力墻結構及框架-核心筒結構中，地震作用下，當框架部分的設計層剪力不小于

39、該層總剪力的25%時作為雙重抗側力體系(如果計算剪力達不到，需要調整增大框架設計內力)，美國規(guī)范規(guī)定雙重抗側力體系的地震作用可以減小(美國規(guī)范中用不同的延性系數(shù)評價各種體系，延性系數(shù)高的結構體系，地震作用的折減較大，雙重抗側力體系的延性系數(shù)較高)。當框架剪力墻或框架核心筒結構中的框架構件斷面小，框架擔負的水平力小于25%總剪力時，美國規(guī)范采取的對策是減小它的延性系數(shù)，也就是相對提高其地震作用，并要求只考慮剪力墻或剪力墻筒體獨立承受水平荷載，也就是剪力墻或剪力墻筒體要抵抗100%水平荷載(框架仍然按其計算比例抵抗部分水平力)，以保證主體結構的安全。5.6 加強結構的整體性在房屋建筑的總體布置中，

40、為了消除結構不規(guī)則、力以及不均勻沉降對結構的有害影響縫將房屋分成若干個獨立的結構單元，可以用防震縫、收縮和溫度應伸縮縫和沉降。但是在建筑中設縫也會帶來一些問題：設縫會影響建筑立面、多用材料，使構造復雜、防水處理困難等，設縫的結構在強烈地震下相鄰結構可能發(fā)生碰撞而導致局部損壞等，有時還會因為將房屋分成小塊而降低每個結構單元的穩(wěn)定、剛度和承載力，反而削弱了結構，因此，常常通過采取措施，避免設縫。我國規(guī)范規(guī)定的伸縮縫間距較小，有充分依據(jù)或可靠措施時，可以適當加大伸縮縫間距，避免設置伸縮縫。12高層建筑常常設置裙房以采取各種措施減小沉降差主體和裙房之間的沉降差可能較大，可盡量不設沉降縫。不規(guī)則結構的薄

41、弱部位容易造成震害，過去一般采用防震縫將其劃分為若干獨立的抗震單元，使各個結構單元成為規(guī)則的獨立結構，目前工程設計更傾向于不設防震縫，而采取加強結構整體性的措施，加強薄弱部位防止破壞。如果在高層建筑中無法避免伸縮縫，或沉降縫，或防震縫，則都必須按照防震縫的要求設置其寬度，避免地震時相鄰部分會互相碰撞而破壞。5.7 轉換層設計現(xiàn)在高層建筑的使用功能并不唯一，不同功能的樓層就需要不同的空間劃分，因而上下層之間就要求結構形式和結構布置軸線的改變，這往往人為地切斷了結構豎向傳力路徑為了實現(xiàn)正確傳力，就需要在上下層之間設置結構轉換層。在轉換層構件設計中，水平轉換物件應布置簡單，受力明確，傳力直接。在實際

42、工程中，梁式轉換層應用的最廣泛，它具有受力明確、傳力途徑清楚的優(yōu)點當需要縱橫同時轉換時，采用雙向梁布置。采用箱形轉換層時，由于箱形轉換層具有較大的結構尺寸和剛度，因此必須對大空間的底層或下部幾層的結構平面進行合理的布置，避免在抵抗水平力時因底層剛度削弱而產(chǎn)生較大的相對位移，造成破壞。當上下柱網(wǎng)軸線錯開較多，難以用梁和桁架直接承托時，可以做成厚板，形成板式轉換層結構。當?shù)撞看罂臻g樓層的柱距較大時，可以考慮使用桁架轉換層桁架式轉換層具有剛度大，自重輕，并能跨越很大跨度的特點。在轉換層的設計時，必須要考慮結構豎向剛度的變化。轉換層往往是豎向結構的薄弱部位，通過轉化往往造成下部剛度削弱，為此通過加強落

43、地剪力墻和調整各構件尺寸來解決，特別是框支結構，要嚴格控制轉換層上下剛度。高層建筑混凝土結構技術規(guī)程中附錄E對于轉換層抗震設計要求做了相應說明。6高層建筑創(chuàng)意與結構概念設計的關系6.1建筑與結構概念設計從表象層面，建筑表現(xiàn)為空間方面的概念和形式，它是表現(xiàn)總體環(huán)境的。對于某個建筑物的最初的方案設計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細地確定它的具體結構。但是，關于空間形式的整體設想，也要求建筑師必須考慮建筑形式中有關荷載與抗力之間關系的某些準則，即結構概念。這包括以下幾個方面：一是所設想的空間形式應當固定在地面上；二是所設想的空間形式應當具有質量并能承受豎向重力荷載;三是所設想的空間形

44、式必須能抵抗水平風和地震作用。最近，由荷蘭建筑師庫哈斯設計的中央電視臺辦公大樓，引起了專業(yè)人士的很多爭議，其焦點就是它的建筑形式(近70 m的懸臂)有無視重力之嫌，其結構的合理性還要待建成之后得以檢驗。所以，在進行高層建筑設計時，建筑師的基本任務是：一方面要與結構工程師及其他工程技術人員協(xié)調合作；另一方面要根據(jù)建筑功能要求、建筑立意、場地情況、外力特征、施工條件及效率等因素，尋找出最經(jīng)濟、合理、美觀的建筑方案。6.2結構概念設計對建筑設計的作用在建筑設計領域，人們通常認為，結構是為建筑服務的，而結構工程師也只能被動地配合建筑師進行工作。其實這是一種誤解，或者是消極的觀點。作為建筑的骨架，結構本身亦是建筑空間形態(tài)的有力表現(xiàn)手段。在建筑發(fā)展史中，很多實例都是由建筑結構本身直接表現(xiàn)建筑形態(tài)的，例如拜占庭時期的宗教建筑和其后的文藝復興教堂建筑，以其巨大的育頂形成了建筑的上部形式；中世紀的哥特式教堂，是西方古代建筑中結構與建筑形態(tài)完美結合的最典型例證。中國的古代建筑，沒有專門的所謂立面設計，它也是以其梁、柱、斗拱、屋架結構體系直接表現(xiàn)建筑形態(tài)的。6.3 建筑師與結構工程