非抗震设防地区高层建筑混凝土结构设计.pdf

浙江建筑， 第2 9卷 ， 第 3期， 2 0 1 2年 3月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 9，No 3，Ma r 2 0 1 2 非抗震 设防地 区高层建筑 混凝 土结构设计 St r u c t u r a l De s i g n o f Co n c r e t e Hig h - r i s e Bu i l d i n g i n N o n - S e i s mi c Ar e a 张伟 才 ， 任 光 勇 ， 程媛 ZHANG We i c a i ，REN Gu a n g y o n g ，CHENG Yu a n ( 1 浙江绿城建筑设计有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 7； 2 中国联合工程公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 2 ) 摘要 ： 国家相关规范明确地给抗震设 防区域提 出了要求和建议 ， 但是对 于非抗 震区域 ， 尤其 是对于非 抗震设 防区域 和抗震 设防区域交界的地 区， 现行规范不够具体。完全参照非抗震设防进行设计 ， 与 日益 发展的社会 现实不相 符合 ； 若参 照抗震设 防考 虑 ， 则其经济性不佳 。因此需精心考虑 ， 才能寻求安全性和经济性之间的平衡点 。 关键词 ： 非抗震设 防； 高层建筑 ； 结构设计 中图分类号： T U 9 7 3 3 1 文献标志码 ： B 文章编 号： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 2 60 4 1 问题 的提 出 高层建 筑设 计 中 ， 建 筑 抗 震设 计 规 范 ( G B 5 0 0 1 1 -2 0 1 0 ) ( 以下简称 抗规 ) 和 高层建筑 混凝土结构技术规程 ( J G J 3 2 0 1 0 ) E 2 2 ( 以下简称 高规 ) 明确提 出， 必须 根据规定 的设防烈度对结 构进行 抗震设 计 。设 计 内容 包 含两 个 方 面 ： 地 震作 用计算和抗震构造措施。但在具体工程 中， 有时设 计人员 难 以把握 ， 因为 对 于抗 震 设 防 区域 和 非 抗震 设 防 区域 的交界 处如何 进行 抗震 设计并 无 明确规定 ( 实际上也无法 明确规定 ) ， 比如绍兴 县和诸 暨市 ， 相邻 的县 市 ， 在 规范 中一个 为抗震 设 防 区域 ， 另一 个 为非抗震设防区域 ， 在其交界处 的建筑如何确定抗 震 等 级 ， 目前 还 难 以 明确 。另 外 ， 中 国位 于 亚 欧 板 块、 印度洋板块 、 太平洋板块 的交界处 ， 是一个地震 多发 国家 ， 从 以往 的经验 来看 ， 最好对 一些 不确 定 区 域 ， 还是 采取一 些抗 震设 防措施 。 地震设 防 区域是根 据概 率确定 的 ， 但 是小 概 率 事 件并 不 意 味 着 不 发 生 ， 尤 其 是 在 我 国这 样 的 区域 。 以浙 江 省 杭 州 市 和 江 西 省 九 江 市 为 例 ， 两 者 均 为 6度 设 防 ， 但 是 杭 州 市 近 年 来 并 未 发 生 过 地震 ， 而九江市 自2 0 0 5年 以来短短 的 7年就 已经 发生 过 两 次 地 震 ， 分 别 是 2 0 0 5年 1 1月 2 6 日 的 5 7级 地 震 和 2 0 1 1 年 9月 1 0 日的 4 7级 地震 ， 两 次地 震 均 对 生 活 造 成 很 大 的 影 响 ， 经 济 造 成 很 大 损失 。对 于非 抗 震 区 域 我 们 应 持 有 相 同 的 审 慎 态 度。从根本上讲 ， 只有 加强结 构设 计才 能真 正地 保证 居 民的安 全 。 随着 经 济 发展 ， 国家 也 慢慢 有 能 力 承受 抗 震 设 防带来的经济压力 ， 所 以近年来部分专家学者建议 取消 非抗震 设 防 区域 ， 在 多 次 浙 江省 注册 结 构 工 程 师 的继续 教育 培训 中 ， 都 有 专 家 建议 提高 重 点 地 区 设 防烈度 以及 将原来 的非 抗震 设 防 区域 按照 6度 设 防进行抗 震设 计 。如 绍 兴 地 区诸 暨市 ， 位 于 6度 区 与非抗震 区域 之 间 ， 国家 规 范 明确 规定 诸 暨为 非 抗 震设 防设计 ， 但是对于诸暨这样 的经济发达区域 ， 如 果 发生 地震 ， 其引起 的后 果非 常严 重 ， 而且诸 暨市 的 经济能力完全能承受因为抗震 设 防带来 的经济代 价 ， 因此 绍 兴 市科 学 技 术 局 明 确 规 定诸 暨 市 按 照 6 度设 防进行 结构 设计 。 结构设计 应遵循 三个 原则 ： 安全 、 经济、 适 用。 浙西 地 区有 很 大的 区域是 国家规 定 的非抗 震设 防 区 收稿 日期 ： 2 0 1 2一 O 2一O 6 作者简介 ： 张伟才 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 湖北武穴人 ， 工程师 ， 从事建筑结构设计工作 。 第 3期 张伟才等： 非抗震设防地区高层建筑混凝土结构设计 2 7 域 ， 如 果完 全按 照非抗震 设 防进行 设计 ， 对 安全可 能 有一定影响。因此 ， 在非抗震 区域的高层建筑设计 时， 应根据国家规范规定做出判断后 ， 结合地方规定 确定设计原则。如果无特别规定， 如何 既保证结构 安全可靠又要考虑经济性 ， 笔者根据 自己的设计经 验 ， 在 此文 中给 出一些 建议 。 2 结构设计 2 1 平 面 布 置 高规 和 抗规 都非常 明确 地规定 ， 对 于高 层建筑结构设计 ， 为保证结构的规则性 ， 其平 面布 置应尽可 能规则 ， 以保证 地震作 用下不 发生 大的 扭转 ， 其具体 表现为规 范 中规定 的第一 扭转周 期 与第一平动周期 比不 宜大于规 范规定值 。有些计 算程序 ， 如果是 非抗震设 计 ， 不会 给 出周 期 ， 但是 对于结构而言 ， 周期是其 固有 的特性 。因此 ， 在实 际设计 中建 议计算 出周期 ， 与荷 载规 范给 出的一 般 的估 算 公 式进 行 对 比 ， 以核 对 刚 度 是 否 适 中 ， 偏 刚 了 ， 对 于非 抗 震 地 区 来 说 ， 过 于 浪 费 ； 偏 柔 了 ， 对 于高层建筑来说 ， 这种地 区一般都是风荷 载控 制 ， 其层间位 移角会 过大 。但是 对于周 期 比这一 点 ， 抗震设 防区域一般 会加 以控制 ， 使得第 一扭 转周 期与第一平 动周期 比尽量 小 ， 对 于普通 的 A级建 筑而言 ， 很多时候会 做到 0 7 0 8 5， 平 动周期 中 扭 转 分量 的 比重 尽 可 能 的 小 ； 对 于 普 通 的 A级 建 筑 ， 一般 尽量 调 整平 面使 其 较 小 ， 但是 受 诸 多 限 制 ， 可 以 占到 5 一1 0 ， 对 于地 震 作 用 较 小 ， 可 以 略微 放松 ， 这样 在 平 面 布 置 上 可 以更 加 灵 活 ， 给 建 筑 创作 人 员 留下 更 大 的 空 间 。 2 2竖 向布 置 在 高 层建 筑混凝 土结 构技术 规程 ( J G J 3 2 0 0 2 ) 中对于结构竖 向布置引起 的 自下而上的 刚度变化有明确规定 ， 到了 2 0 1 0年版 高规中对 这一点规定得更加严格 ， 高规 第 3 5 2条规定 ： = 不 宜 小 于 0 7 ， 变 换 公 式 可 得 Y ：= - 一 0 7 ， 而且对于框剪结构引入了层高修正 这一 选 项， 对 公式Y z ： 进行变 换后， 可 以得到 ： ， 实际所谓的尽高修 正， 从概念上讲可以理解为对侧向刚度的重新定义， 即框架结构的侧向刚度计算是使得楼层发生单位位 移下的作用力 ， 而框剪结构 的侧向刚度则是使得楼 层 发生 单位层 间位 移角 下 的作用 力 。要 严格 地满 足 这些条件， 对于底部有较 高的架空层 时是 比较困难 的， 而且当底层平面作为嵌 固端 时， 从公式可 以看 出 ， 很难 满足 底层 与上 层 刚度 比不 小 于 1 5的要求 ， 要满足这些要求 ， 势必会严重影响建筑的平面布置 。 竖 向布置如此要求 ， 实际上是一个避免结构 出现薄 弱 层 的做法 ， 而 薄弱 层 主要 是 基 于抗 震 设 防 的一 个 概念 ， 对于薄弱层应该对地震力进行放大处理， 但如 果非抗 震设 防 ， 放 大也 是没有 意 义的 ， 这 个概 念也 不 重要 ， 因此该 项要 求对 于非 抗震 区域应适 当放 开 ， 按 照规 范规 定 的“ 不 宜 ” 执 行 即 可 。如果 所 在 区 域 是 抗震设 防和非抗震设 防的交界区域( 规范中为非抗 震设 防 ) ， 建议进 行 抗震 作 用 的计算 ， 并对 该 层 的竖 向构件加强处理， 以消除因薄弱层可能带来 的不安 全 因素 。 2 3结 构计算 与构 造 结构 的承 载力极 限状 态和正 常使用 状 态主要 受 竖 向荷载 和水 平荷载 影 响 。 2 3 1 地震 作用 对 结 构 有影 响 的水 平荷 载 一 般 为地 震荷 载和 水平荷 载 。对 于那些 位于抗 震 区和非 抗震区交界的地区， 从结构安全角度考虑 ， 建议按 6 度 区进行抗 震 设 计 。对 于 那些 远 离 抗 震设 防 区域 ， 一 般 来说 至 少 距 离 超过 一 个 县 ( 市 ) 的非 抗 震 地 区 的结构设计时 ， 地震荷载发生的概率非常小 ， 或者即 便发生震级也非常小 ， 如果按照 6度区计算 ， 无疑将 会人 为放 大很 多水平 作用 ， 按 照抗震 规范 ， 对 于 6度 区的多层建筑 ， 抗震设计时是可以不进行抗震计算 而 只需要 进行 采取抗 震构 造措施 来设 防 。参 照这 一 点 ， 我们认为对于非抗震地 区的高层建筑设计可 以 不进行抗震计算 ， 但必须按照设防烈度来采取抗震 措施 ， 这样的做法既能获得较高的安全度 ， 又能保证 良好的经济性 。在采取构造措施 中， 重要构件 ( 如 前 面所述 的薄 弱层 的竖 向构 件 ) 可 以按 照 四级抗 震 要求 ， 对非重要构件可以放松要求。这样 的做法既 能实现结构工程师的概念设计 ， 又能做到有的放矢 ， 更好地体现成本控制。 2 3 2 风荷载作用计算 对 于非抗震区的高层建 筑， 因为地震作用非常小， 对水平位移起决定作用的 便是风荷载。2 0 0 2年版 高规 建议6 0 m以上的高层 按照 1 0 0年一遇的风压来考虑， 没有对极限使用状态 和正常使用状态做区分。广东省在 高层建筑混凝土 2 8 浙江建筑 2 0 1 2年第 2 9卷 结构技术规 程 ( J G J 3 2 0 0 2 ) 的补 充 规 定 中给 出 的建议是承载力计算 时， 需要按照 1 0 0年一遇 的风 压， 对于位移这样正常使用状态下的标准来说， 使用 正常基本 风压 ， 即 5 0年 一遇 的基 本 风 压 即可 。2 0 1 0 年版 高规 也采取了这种做法 ， 明确位移按照 5 0年 一 遇基本风压 ， 承载力计算时基本风压放大 1 1倍。 如果不分开计算， 统一放大 1 1倍， 按照位移与荷载 呈线性比例关系， 荷载放大 1 1 倍， 位移也会放大 1 1 倍 ， 那么相应的竖向构件也必须加强 ， 这种 的做法提 高了结构的安全性 ， 但 是这种过度 的安全性 是不必 要 的， 反而造成不必要的浪费， 导致了结构的不经济性， 不符合绿色节能环保 的现代设计理念。 2 3 3 柱 轴压 比计算 对 于低 烈 度 区 和与 低 烈度 区相邻的非抗震区的结构 ， 在控制轴压 比时应对抗 震计算和非抗震计算的两种状态下的计算结果进行 比较。根据 高规 和 抗规 公式 ， 抗震计算时用重 力荷载代表值和地震作用 的组合 ， 非抗震计算时用 恒载 和活 载的基 本组 合 。重力荷 载代 表值计 算 时对 活载 的组 合 系数 为 0 5 ， 活 载折 减 的部 分 可 能 会 比 抗震 组合 的结果 要 大 ， 所 以最终 轴 压 比不 一定 由地 震作用计算控制。对于轴压 比， 在非抗震区域建议 按照 规范 的 四级 抗 震要 求 来 执 行 ， 主要 在 于竖 向构 件是 整个结 构 的最 重要 部 分 ， 适 当地 提 高 一些 要 求 是应 该 的 ； 而且 ， 建筑 平面 的调 整 、 功 能 的更 改 、 后 期 装修 ， 导致附加荷载偏大 、 墙体材料更改、 墙 面材料 更改 等诸 多不确 定 因 素 ， 在 高层 累计 后 可 能对 底 层 的竖 向构件会附加一些设计难 以考虑到的荷载 ， 留 有余地也可以充分体现设计人性化的一面。 对于墙 ， 在 没有抗 震要 求时 ， 轴压 比可 以放 宽到 0 7 0 8 ， 并注意验算墙 的稳定性 。对边缘构件进 行配 筋时 ， 仅设 置构造 边缘 构件 。 3工 程 实 例 本工程位于浙江省杭州市建德市 ， 该地区为非 抗震设防烈度区， 其周 围的淳安 、 兰溪、 开化、 桐庐等 地均 为非 抗震设 防区域 ， 因此 可 以按 照非 抗震计 算 。 按 照建 筑 平 面 布 局 布 置 好 结 构 竖 向 构 件 ， 见 图 1 。 图 1 初始平面布置 图 利用程序计算结果各项指标都满足要求， 但是第 一 振型的扭转分量系数为 1 8 ， 从规范上讲 ， 按非抗震 考虑是满足要求， 但是为了提高安全性 ， 对局部进行调 整 ， 将角部 的柱换成剪力墙 ， 对称 布置 ， 见图 2 。 第 3期 张伟才等： 非抗震设防地区高层建筑混凝土结构设计 2 9 r 一 一 一 l J 哪 _1 厂 J ， J - ； 。 一 ， L u L 一J ， 1 5 0 0 1 8 0 0 3 8 0 0 3 5 5 0 3 6 5 0 ( D ( ( 图 2 调 整后局部平面布置图 此 时 ， 第 一振 型 的扭 转 分 量 系数 降低 至 2 ， 结 构 造价 略微 提高 ， 但 是结 构性 能及 安全 性大 大增强 。 可 以看出 ： 扭转分量大大地减小 ； 调整楼层上下 的剪力墙厚 ， 当一层底作为嵌固段时 ， 底层与上层 的 刚度 比达到了 1 2 ， 这样处理 的结果 既能充分尊重 窘 0 n T _ r l t 2 0 1 1 0 0 2 0 0 回 2堂 18 一 截面 。 。 铂 n 50 0 枥 滴 基础顶 面 - 0 0 5 0 编号 K Z 1 7 a 建筑师的想法 ， 不会破坏建筑空间 ， 同时结构布置更 趋于 合理 ， 也能 更准确 地把 握结 构 的力 学性 能 。 对竖 向构件进行配筋 时， 首先满足结构设计计 算要求 ， 其次按照构造。根 据现场施工情况 ， 建议对 于截面高度超过5 0 0 mm的柱 ， 内部优先采用 箍筋 ， 能够更好地保证施工质量。在进行拉筋布置时 ， 不 必要进行对称布置 ， 满足箍筋的肢距要求即可 ， 一般 当满足纵筋的构造要求时 ， 拉筋隔一拉一。对于剪 力墙边缘构件的配筋， 非抗震区域， 按照 高规 的 规定 进行 构造 边缘 构件 配筋 即可 ， 设 置底 部加 强 区 ， 无需设置过渡层。剪力墙边缘构件中的箍筋仅仅对 纵筋起约束作用 ， 不承担抗剪作用 ， 规定其配箍率是 没有意义的。在 2 0 1 0年版 高规 中， 这一做法 已 经 得到 修正 ， 鉴 于 此 ， 对 于边 缘 构 件 的 箍 筋 或 者 拉 筋 ， 参照规范规定 的四级构造 即可， 甚至更弱 ， 不必 参照一定的体积配箍率 。典型墙、 柱配筋见图 3 。 I _ 同 【 j 昌 截面 n 8 1【： | 】 l n 【 3 0 0 【 6 5 0 【 一 12 0 0 1 6 5 0 I I 2 0 0 1 6 5 0 l 编号 GB Z1 GB Z1 G BZ1 标高 基础顶 面 4 9 5 0 4 9 5 0 - l 1 0 0 0 1 1 0 0 0 - 7 6 9 0 0 纵筋 1 8 空 1 4 1 4 1 2 1 4 营l 2 箍筋 拉筋 空 8 2 0 0 堂 8 2 0 0 堂 8 2 5 0 图 3 典型墙柱配筋 图 整个工程的设计思路明确、 计算清楚、 构造合理 ， 既实现 了结构 工程师对结构概 念的理解 ， 又实 现 了安 全性 的保 障 ， 同时对结构成本 进行 了合理 的控 制 。 4 结 语 受 整 体 经济 水 平 的影 响 ， 我 们 可 以保 留部分 非 抗震设 防区域 的 中心 区域 作为真 正 意义上 的非抗 震 设 防区 。但 是对 于该 区域 的高层 建筑 结构 或一些重 要工程， 对影响其抗侧刚度的关键部位 ， 建议采取抗 震构造措施 以保证其结构 的可靠性 ， 避免受到发生 概率较 小 的地震 对其 造成 不利影 响 。 抗 震 设计 分 为 抗震 计 算 和抗 震 构 造 两部 分 ， 根 据不同情况对具体工程采取相应的做法。对于抗震 设 防区域 和非抗 震 设 防 区域 交 界 的 区域 ， 建议 进 行 抗震设计 ， 包括地震作用计算和抗震构造 。此类 区 域的超 限工程的安全性评估报告一般建议按照 6度 区进行设防计算 ， 甚至是 7度区。不进行抗震作用 计算， 势必会影响其安全性。对于原来抗震设防区 域的非抗震区域 ， 建议仅对关键部位进行抗震构造 。 加 强 抗震 设 计 的 同时 必 须顾 及 到 经济 合 理 ， 对 结构抗侧刚度贡献大的构件需加强构造 ， 对结构抗 侧 刚度 贡献 小 的构件 可 以按 照 非抗 震 构 造 处理 ， 以 做到有的放矢 ， 节约造价。 参 考 文 献 1 黄世敏， 王亚勇 ， 丁沽 民， 等 G B 5 0 0 1 1 2 0 l O建筑抗震设计规 范 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 2 徐培福 ， 黄小 坤 ， 容柏 生 ， 等 J G J 3 2 O 1 O高层 建筑混凝 土结 构技术规程 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 3 徐培福 ， 黄小坤 ， 容柏生 ， 等 J G J 3 2 0 O 2高层建 筑混凝 土结 构技术规程 s 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 4 、 方小丹 ， 李少云 ， 张元坤 ， 等 D B J T 1 5 4 6 2 0 0 5广东省实施 高层建 筑混 凝 土结 构 技术 规 程 ( J G J 3 2 O O 2 ) 补充 规 定 S 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 5