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作者：郁彦，结构界江湖人称“扫地僧”，高手中的高手！ 代表著作：《高层建筑结构概念设计》 本文为其1987年发表于《建筑科学》的论文，在今天看来仍然具有醍醐灌顶的作用。 1 结构的总体布置 结构的总体布置是影响建筑抗震性能的关键问题。建筑各结构单元的平面形状应当力求简单、规则,立面体型应当避免过大的伸出或收进,结构布置应当均匀对称,这些基本要求对提高结构的抗震性能是非常有利的。但是,当建筑的适用和美观要求同结构的抗震要求有矛盾时,也应设法配合建筑专业解决这类问题。但要切记保证建筑的安全,乃是结构专业的首要职责。 现在简单的谈一下在结构总体布置上的主要问题。抗震结构在总体布置上有两大忌,一是上部刚度大,底层仅有柱的鸡腿建筑；二是平面刚度极不均匀,产生大扭转的建筑。两者在设计上全是难以解决的问题。对于中部有核心筒或部分剪力墙到底的建筑不能看做是鸡腿建筑。在平面布置上比较均称的长伸臂建筑也不应该认为是大问题。对这类建筑的应力集中部位可以用局部加强的办法来解决。
2 小震不坏，大震不倒 对抗震设计总的要求是要使建筑物小震不坏,大震不倒。小震指6、7度以下的地震,大震指8、9度以上的地震。小震不坏主要是保建筑(保物),大震不倒是保人。人比物更重要,所以大震不倒才是抗震设计的重点。解决这项间题主要靠结构延性的概念和结构构造。 小震不坏,单从结构角度来说,指经地震后不需修理或稍加修理可以继续使用；大震不倒,是指墙柱还有一定的支承能力,楼板不坠落。
3 地区地震的基本烈度 地区地震基本烈度,指在今后一定时期内(一般指一百年),在一般场地条件下可能进遇到的最大地震烈度。我国已规定的地区地震基本烈度是地震工作者分析了一千多年来的地震历史记录,根据地震地质构造条件,和我国经济政策,并通过调查研究得出的成果,因此我国地震区烈度的划分是有充分依据的。但事实证明,华北地区近几年来发生的几起地震均超出原规定的6度。邢台10度,海城9度。唐山10~11度,与规定的基本烈度相差很大。所以一个地区存在着超烈度的可能性。因为地震科学在世界范围内仍是个年轻的科学,根据过去的历史和地震地质现状,来推测将来发生的地震,不可能绝对准确。有了超烈度的概念才能慎重的考虑结构延性和裂而不倒的问题。 从另一方面看,同一地区,同类建筑破坏的程度相差很大。这就说明建筑物破坏的轻重也决定于建筑本身的内在因素。如果结构设计得当,施工质量也好,即使地震超出基本烈度也能避免倒塌的厄运。
4 建筑抵抗强烈地震的可能性 先看看唐山地震中的两个震害实例 (l)唐山交际处外宾楼是一栋五层砖混结构建筑,四层楼上有个双开间的房间,墙上承托着一根进深梁,。窗间墙已遭到剪切破坏,残余的墙体形成两个三角形块对顶着。这个严重破坏的窗间墙经历了多次余震始终没有垮下来。经检查,主要原因是对顶角处砌体的砂浆强度很高,砖的质量也好。 (2)唐山第21中学,有一幢两层小楼,房角几间房的山墙、前檐墙和内墙已倒塌,但屋顶没有坍塌下来,就是因为在一间厕所中有一根多节的铸铁透气管和现浇圈梁浇捣在一起将屋顶支住。 这两撞建筑墙体严重破裂,摇摇欲坠,但终未倒塌。分析其原因,是墙体破裂后刚度极度减弱,接受地震力很小,前一幢不倒是靠残留砌体的竖向承载强度,后一幢不垮是靠纵横竖三个方向的连接性好,产生一定的延性。这两个实例的偶然性很大,不是有意布置的条件。但是可以说明建筑处于强烈地震下,裂而不倒的可能性。由这两个实例中还可以看到,做到裂而不例要靠两个因素:一是支承竖向荷载构件强度要高；二是各部件的连接性要好。从力学观点上也容易理解,建筑经强烈地震后,竖向承力构件损伤很大,要靠残余的构件发挥出最大的强度潜力将房屋支撑住。同时,这些残余部件靠最低限度的拉接使它们不散掉,以达到支承竖向荷载的目的,这时对承受水平力的抗剪强度就不是主要的间题了。从这个概念出发,建筑遇到超烈度的情况,并不那样可怕。前面的例子全是砖混结构。现浇钢筋混凝土结构有着更好的条件抵抗倒塌。 因此,要做到建筑裂而不倒,只要在设计上、施工上,创造有利条件是完全可以做到的。从而也得到这样的结论,只要掌握了设计要点,对地区采用哪个等级的烈度设计,并不是最主要的问题。当然国家的规范和规定必须遵守。
5 自振周期 结构的自振周期是设计计算中的重要指标。但是高层建筑是复杂的空间结构。场地条件、建筑埋深对结构的自振周期均有很大的影响,非结构构件在结构刚度中也起着不小的作用。在地震过程中,由于结构裂缝的开展,节点塑性铰的出现,部分构件退出工作以及装修等接头的松动,结构刚度不断退化,自振周期随之不断变化。在设计过程中构件截面、混凝土标号的变更是经常的事。因而结构的自振周期只能根据一系列的假定来确定。 从实际出发,采用经验公式计算自振周期,完全可行。经验公式很多,都可以参考使用。 总之,用过多的时间计算自振周期是不值得的。对任何设计烈度,处于I、Ⅱ类场地土的建筑,当结构周期分别大于1.0秒和1.5秒时,计算地震力与周期无关。因而高层建筑地震力的计算,常不受周期长短的影响。
6 地震力和风荷载 地震力是随机性很大和带有冲击性的荷载。从理论分析可以知道,建筑实际遭遇到的地震力要比设计地震力大很多,并将设计安全度降低20%。所以抗震设计是挖潜力问题。地震力和风荷载相比有着质的区别。风压强度可以通过风速实测来确定。风荷载在建筑表面上的分布,可以通过风洞试验来了解,荷载能较准确的确定。因此设计上能保证一定的安全度,结构始终处于弹性阶段。 但对抗震设计,结构构件中的钢筋应力超出屈服限值进人塑性阶段,就弹性理论的意义来分析,已不存在安全度。
7 地震力的垂直分量 一般说来,地震力的垂直分量较小,只有水平力的1/3~2/3。离地震震中越近,垂直分越大。虽然比水平分量小一些,但结构的竖向刚度,远比水平刚度大得多。因而地震反应并不小。对柱增加的轴力相当大。柱是支承建筑最重要的构件,在柱的承重受力概念上要想到这个因素,对柱的设计计算切要留有余地。 对跨空大梁,即承托层数很多,荷重又集中的转换层大梁要考虑竖向地震力的影响,这是结构的关键部位,必须慎重处理。 另外基础下的地基对结构产生阻尼效应,减缓了垂直地震力的作用。但对坚硬地基必然产生较大的影响。
8 地震力的传递 地震力来自荷重质量的惯性,如支承结构的刚度大而荷重小,刚度小的却荷重大,这时荷重引起的部分地震力就要通过楼板向刚度大的支承结构传递。地震力的传递靠楼板。如果楼板是松散的,则无传递能力,地震力只能由担负重量的支承结构自身来承担。如果预制楼板连接不好,则只能起部分传递作用。整体现浇楼板传递能力很强、能将地震力直接传递给备角落的立柱和剪力墙。力按竖向构件本身的截面刚度及其两端约束程度来分配。传递地震力主要是靠楼板,梁只起对柱的约束、增强柱刚度的作用。 举几个例子说明其间的关系。例如在平面柱网上的单根柱,只要有楼板与之相连,就能起抵抗水平力的作用。 又如在一排柱中,端跨的梁端置于一根与之垂直的主梁上,在水平力作用下,梁端对主梁不产生水平方向的冲击力,因为地震力的传递不靠梁。同时板有很大的平面刚度,主梁不可能产生水平方向的弯曲。 另外,梁与柱不对中的问题,特别是现浇板的情况,对抗震受力影响并不大。梁与柱轴线不对中,仅对柱端的约束程度差些,对地震力传递给柱的影响很小。也不会象单体试验那样,产生扭转。有了这些概念,抗震结构中柱的布置就灵活多了。 楼板上常设置有较大的洞口,如电梯井、楼梯间、设备孔洞等,这时要注意力的传递途径,验算楼板削弱部位的局部弯曲和剪力,并以增加配筋来解决。楼板刚度大,在一般情况下,只传递本层有限的地震力,楼板上虽然存在着洞口,但洞口四周往往同坚强的墙板或筒体相连结,因此传力能力仍然很强。 由于楼板的作用,结构有很强的水平力传递能力,在强烈地震下某剪力墙破坏,地震力立即通过楼板传递给其它剪力墙。这也表明抗震结构有大幅度内力重分配的能力。竖向荷载的传递靠梁,在水平方向不能传递得很远。
9 结构的空间概念 建筑本身是三维的,为了简化设计常将空间问题化为平面问题。一般说,从稳定和受力来看,是趋于安全的。例如框架结构多多少少都有框筒作用。实际上结构的刚度要比按平面计算的大,因为空间作用实际存在。既然计算草图规定为平面问题,就应按规定设计。抗震结构在受力过程中常不是完全均匀的,由于结构的空间作用使结构强的构件辅助弱的,从而整体地抵抗地震力。 在平面问题的设计中会有估计不到的情况,有时还会趋于不利的方面,例如楼板的水平变形会增加柱的内力。当楼板的水平支撑间距在一定限度内时,柱增加的力不大,设计时可忽略不计。当间距过大时,则需要考虑其影响。 空间受力作用有时并不小,例如北京昆仑饭店,工程平面呈“之”字形,按三维空间计算结构的自振周期为0.8秒,结构刚度比较大,这是因为在体型上有如竖立的折板。如将平面拉直成“一”字形计算,自振周期将长达2.06秒。 从上面的例子看来,实际的空间刚度比假定的平面刚度要大很多,因而实际承受的地震力也大,但空间结构相应的抵杭力也大；按平面计算地震力取值小,但考虑的构件也少。这样阳差阴错的就把间题解决了。
10 钢筋在构件截面中所起的作用 计算结构内力首先要计算构件的刚度。在做法上总是按构件混凝土截面尺寸和混凝土的弹性模量Eh来计算,不考虑钢筋所起的作用。实际上钢筋的作用还是很大的。举个例子来说明:设有200号混凝土梁,截面尺寸为30x80厘米,梁截面中含钢量为l%。如按构件全截面混凝土计算EJ和按裂缝开展计算B相差两倍。如全按裂缝开展计算,截面中最高含钢量与最低含钢量计算相比,又差两倍。从这两个例子可以看到钢筋在截面中所起的作用并不小,但是这个因素常被忽略。 再举一个例子,假如有一个矩形平面空间,采用双向梁的屋盖系统。假如严格地按混凝土截面弹性理论计算,那就需按弹性井字梁计算。如果我们简化为主次梁的方案(即使为了外观,两方向梁做成相同的截面)问题就简单的解决了。所以可以这样做,是钢筋在结构中在起作用。 因而,结构计算草图,特别对允许开裂的抗震结构可以比较自由的选定。但静力平衡规律是最基本的,绝对不得违反,构件中材料的配置必须适应所给定的草图条件。简化设计的办法是设法降低结构的超静定次数,再用构造手段补偿。 举一个类似的例子。在设计钢桁架时总是假定节点为铰接。节点设置的铆钉和焊缝提高了析架的超静定次数,增强了结构的承重潜力。
11 框筒结构拐角板 筒中筒结构四个角区楼板的布置方案,一种是四角加梁。这样并不理想,因为楼板荷载集中在梁端的柱上,使裙梁柱受力不均匀,同时也影响层高。另一种较好的办法是使用拐角板。角区的楼板由两面裙梁和内筒的角部支承。板的支承条件一般可假定外墙裙梁处为简支,和内筒连接处为嵌固并考虑一定程度的弯矩调幅。自角部沿内筒一个进深跨度长度以外的板不受拐角板荷重的影响,受力是单向的。 图1是等跨拐角板的弯矩系数。从拐角板的内力分布可以看到这是板搭板的作用。这个概念,在其它场合可以应用。例如将拐角板做为双向板支承于内筒角边缘的暗梁上,无柱帽无梁楼盖可以假定双向板或三角板支承在柱头板带上。其它复杂的柱网可以用类似的方法解决。
12 高层建筑的倾覆问题 震害经验说明,在强烈地震下,高耸构筑物如烟囱只有坍塌和堕落,没有整体倾倒的。因为地震引起的振动是反复性的。高层建筑的高厚比要比烟囱小得多,因而也不会倾倒。美国1967年UBC建筑统一设计规范将倾程弯矩打个很大的折扣。例如当建筑的自振周期为2秒时,基底倾覆弯矩可以乘以0.3的系数。目前加拿大现行规范采用0.8的折减系数。这些都表明建筑只会坍塌,不会倾覆。 从具体计算来看8度地震, Ⅱ类场地土,假定钢筋混凝土建筑的高厚比为5,地面处的倾覆安全系数为3。对体型复杂的建筑,系数会更高,抗倾覆不是主要的,主要是地震振动的反复性。
13 高层建筑基础的埋置深度 从前文看,建筑不会倾倒,建筑基础除防冻深度要求外是否还需要更大的埋深。我们先看一些国外有关资料。 (1)日本1982年东京地区规程规定,高度60米以下的建筑,基础埋置深度最小要责一地面以上建筑的总高度。罗马尼亚规范也有相同的规定。但美国的建筑结构设计规范,并无此项要求。 (2)日本住宅公团,用动态分析法对一栋12层的框一剪结构,考虑土体协同工作计算结果:有地下室建筑的上部结构地震反应要比无地下室的低20%~30%。 (3)日本某科研单位研究一栋处于软土地基上的15层住宅建筑,计算结果表明,随着基础深度的增加,建筑自振周期减小,并得出小直径桩基只起着半层地下室埋深的作用。 （4）按日本计算桩基抗剪的经验办法,当边土标准锤击贯人度为4时,每增加一层地下室,桩承受的水平剪力减少约25%,如此当有四层地下室时,桩基即不承受地震剪力；当边土标准锤击贯人度为20时,一层地下室,桩基承受的剪力就减少70%,两层地下室,桩基本上不承受剪力。 (5)美国1971年圣费南多地震,在震害中发现一栋浅埋桩基建筑的桩有如纯鸡腿建筑的底层柱那样,桩头大部破裂。 (6)日本在超高层建筑集中的新宿区,经多次地震实测(小地震),以81.6米深度处的地震加速度为1,地面地震加速度扩大6~7倍。在强烈地震时这种变化不会这样明显,但是这种趋势仍然存在。从上面的资料可以得到这样的概念,基础埋深对建筑抗震有利。由于基础埋深,箱形基础侧璧的被动土压力和前后侧壁同土间的摩擦力限制了基础的摆动,基础底板压力的分布也趋于平缓,这就类似于地基土类别的提高。桩基由于围绕桩顶的土质常较松软,其约束作用无法和尺度庞大的箱形基础相比。对抗震来说,桩起的作用并不很大。综合考虑以上的情况,坚实地基上建筑基础的埋深可以适当减小。
14地基压力分布 基础底面地基压力分布与基础的刚度和池基土的压缩模量有关(如图2)。
15动态设计 输人一个地区的地震时程曲线进行抗震计算,在理论上是一个理想的方法口但是由于地震的随机性,地震地区不同,烈度不同,由来的方向不同其时程曲线也不相同,计算结果自然也不同。北京国际贸易中心办公楼采用了几个地区的地震波,在同一设计烈度下(150伽)其计算内力和位移差别很大。图3分别给出5个不同地震波反应的各楼层最大剪力值,差异确实不小。目前各国的抗震设计仍以弹性理论静力计算为基础,动态设计只做检验与校核。
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