李春祥男博士、教授、博士生導師。

專業:結構工程。

主要研究領域：鋼結構、超高層建筑鋼結構、超高層建筑鋼框架-混凝土核心筒結構、鋼結構橋梁---分析與設計理論(碩士生-研究方向)，Self-centering鋼結構---分析與設計理論(博士生-研究方向),鋼結構施工模擬分析；土木工程抗震、抗風與振動控制；超高層建筑風荷載隨機和CFD模擬的基礎理論與關鍵技術；超高層建筑的動力響應監控與系統識別(無線傳感技術、GPS技術、可視化技術、數據庫技術、網絡技術)。

第二章建筑抗震設計基本原理

第一節建筑抗震設防分類第二節結構抗震設計基本思想第三節結構抗震設計基本要求第四節結構的抗震性能第五節結構抗震的概念設計第六節結構計算軟件的基本要求第七節結構抗震等級(JGJ3-2001高層砼規程)第八節地下室抗震設計第一節建筑抗震設防分類

抗震設防分類 抗震設防分類Seismicfortificationcategoryforstructures

根據建筑遭遇地震破壞后，可能造成人員傷亡、直接和間接經濟損失、社會影響的程度及其在抗震救災中的作用等因素，對各類建筑所做的設防類別劃分。抗震設防烈度Seismicfortificationintensity

按國家規定的權限批準作為一個地區抗震設防依據的地震烈度。一般情況下，取50年內超越概率10%的地震烈度。

抗震設防標準Seismicfortificationcriterion

衡量抗震設防要求高低的尺度，由抗震設防烈度或設計地震動參數及建筑抗震設防類別確定。

抗震措施(seismicfortificationmeasures):除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容，包括抗震構造措施。抗震構造措施(detailsofseismicdesign):

根據抗震概念設計原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。基本規定

一、建筑抗震設防類別劃分，應根據下列因素的綜合分析確定：1建筑破壞造成的人員傷亡、直接和間接經濟損失及社會影響的大小。2城鎮的大小、行業的特點、工礦企業的規模。3建筑使用功能失效后，對全局的影響范圍大小、抗震救災影響及恢復的難易程度。4建筑各區段的重要性有顯著不同時，可按區段劃分抗震設防類別。下部區段的類別不應低于上部區段。

5不同行業的相同建筑，當所處地位及地震破壞所產生的后果和影響不同時，其抗震設防類別可不相同。注：區段指由防震縫分開的結構單元、平面內使用功能不同的部分、或上下使用功能不同的部分。二、建筑工程應分為以下四個抗震設防類別：1特殊設防類：指使用上有特殊設施，涉及國家公共安全的重大建筑工程和地震時可能發生嚴重次生災害等特別重大災害后果，需要進行特殊設防的建筑。簡稱甲類。2重點設防類：指地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的生命線相關建筑，以及地震時可能導致大量人員傷亡等重大災害后果，需要提高設防標準的建筑。簡稱乙類。3標準設防類：指大量的除1、2、4款以外按標準要求進行設防的建筑。簡稱丙類。4適度設防類：指使用上人員稀少且震損不致產生次生災害，允許在一定條件下適度降低要求的建筑。簡稱丁類。三、各抗震設防類別建筑的抗震設防標準，應符合下列要求：1標準設防類，應按本地區抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用，達到在遭遇高于當地抗震設防烈度的預估罕遇地震影響時不致倒塌或發生危及生命安全的嚴重破壞的抗震設防目標。2重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎的抗震措施，應符合有關規定。同時，應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。3特殊設防類，應按高于本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施。同時，應按批準的地震安全性評價的結果且高于本地區抗震設防烈度的要求確定其地震作用。4適度設防類，允許比本地區抗震設防烈度的要求適當降低其抗震措施，但抗震設防烈度為6度時不應降低。一般情況下，仍應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。 注：對于劃為重點設防類而規模很小的工業建筑，當改用抗震性能較好的材料且符合抗震設計規范對結構體系的要求時，允許按標準設防類設防。四、本標準僅列出主要行業的抗震設防類別的建筑示例；使用功能、規模與示例類似或相近的建筑，可按該示例劃分其抗震設防類別。本標準未列出的建筑宜劃為標準設防類。

防災救災建筑

一、本章適用于城市和工礦企業與防災和救災有關的建筑。二、防災救災建筑應根據其社會影響及在抗震救災中的作用劃分抗震設防類別。三、醫療建筑的抗震設防類別，應符合下列規定：1三級醫院中承擔特別重要醫療任務的門診、醫技、住院用房，抗震設防類別應劃為特殊設防類。2二、三級醫院的門診、醫技、住院用房，具有外科手術室或急診科的鄉鎮衛生院的醫療用房，縣級及以上急救中心的指揮、通信、運輸系統的重要建筑，縣級及以上的獨立采供血機構的建筑，抗震設防類別應劃為重點設防類。3工礦企業的醫療建筑，可比照城市的醫療建筑示例確定其抗震設防類別。四、消防車庫及其值班用房，抗震設防類別應劃為重點設防類。五、20萬人口以上的城鎮和縣及縣級市防災應急指揮中心的主要建筑，抗震設防類別不應低于重點設防類。 工礦企業的防災應急指揮系統建筑，可比照城市防災應急指揮系統建筑示例確定其抗震設防類別。六、

疾病預防與控制中心建筑的抗震設防類別，應符合下列規定：1承擔研究、中試和存放劇毒的高危險傳染病病毒任務的疾病預防與控制中心的建筑或其區段，抗震設防類別應劃為特殊設防類。

2不屬于1款的縣、縣級市及以上的疾病預防與控制中心的主要建筑，抗震設防類別應劃為重點設防類。七、作為應急避難場所的建筑，其抗震設防類別不應低于重點設防類。第二節結構抗震設計的基本思想

近20年來，世界不少國家的抗震設計規范，都采用了這樣一種抗震設計思想：在建筑使用壽命期限內，對不同頻度和強度的地震，要求建筑具有不同的抵抗地震的能力。即對較小的地震，由于其發生的可能性大，因此遭遇到這種多遇地震時，要求結構不受損壞，這在技術和經濟上都是可以做到的；

對于罕遇的強烈地震，由于其發生的可能性小，當遭遇到這種地震時，要求做到結構不受損壞，這在經濟上是不合算的。比較合理的做法是，應當允許損壞，但在任何情況下結構不應倒塌。一、建筑結構的三水準抗震設防要求

建筑結構采用三個水準進行抗震設防，其要求是：

“小震不壞，中震可修，大震不倒”。 具體說是：第一水準，即多遇地震，從地震出現的頻度來看約為50年一遇

第一水準-剛度設計準則：建筑在其使用期間，對遭遇頻率較高、強度較低的地震－多遇地震時，建筑不損壞，不需要修理，結構應處于彈性狀態。第一水準，即多遇地震，從地震出現的頻度來看約為50年一遇

可以假定結構服從線性彈性理論，用彈性反應譜進行地震作用計算，按承載力要求進行截面設計，并控制結構的彈性變形符合規范要求－主要是為了防止較脆的且只能承受有限變形的非結構 構件的破壞。第二水準，即基本烈度設防地震，從地震出現的頻度來看約為475年一遇第二水準－強度設計準則

建筑結構在基本烈度的地震作用下，允許結構達到或超過屈服極限（鋼筋混凝土結構會產生裂縫），結構產生彈塑性變形，依靠結構的塑性耗能能力，使結構得以保持穩定保存下來，經過修復還可使用。第二水準，即基本烈度設防地震，從地震出現的頻度來看約為475年一遇

此時，結構抗震設計應按變形要求進行。允許非結構構件受到破壞，但必須保證主要結構構件不受明顯損壞，以避免進行困難、昂貴的修復工作。要求結構具有足夠的強度。第三水準，即罕遇地震，從地震出現的頻度來看約為2000年一遇的強烈地震第三水準－延性設計準則－要求結構能經受較大的非彈性變形 在預先估計到的罕見強烈地震作用下，結構進入彈塑性大變形狀態，部分產生破壞，但應防止結構倒塌，避免危及生命安全。這一階段應考慮防倒塌的設計。

二、二階段抗震設計

二階段抗震設計是對三水準抗震設計思想的具體實施。通過二階段設計中第一階段對構件截面承載力驗算和第二階段對彈塑性變形驗算，并與概念設計和構造措施相結合，從而實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震要求。第一階段設計第一階段設計：對于建筑結構，首先應滿足第一、二水準的抗震要求。 為此，首先應按多遇地震(即第一水準，比設防烈度約低1.55度)的地震動參數計算地震作用，進行結構分析和地震內力計算，考慮各種分項系數。第一階段設計

根據荷載組合值系數進行荷載與地震作用產生內力的組合，進行截面配筋計算和結構彈性位移控制。第一階段設計

并相應采取構造措施保證結構的延性，使之具有與第二水準(設防烈度)相應的變形能力，從而實現“小震不壞”和“中震可修”。

這一階段設計對所有抗震設計的建筑結構都必須進行(圖2-1)。確定場地類別和特征周期值確定結構形式,初選截面,計算重力荷載及其組合計算結構的動力特性計算結構地震作用:1.底部剪力法;2.振型分析法(非藕聯或藕聯);3.豎向地震作用(有些結構);4.動力時程分析法計算構件地震作用效應及其他荷載效應組合結構彈性位移控制及構件截面設計按規范要求采取抗震措施彈塑性變形驗算結束第二階段設計第二階段設計第二階段設計：對地震時抗震能力較低、容易倒塌的建筑結構(例如純框架結構)以及抗震要求較高的建筑結構(例如甲類建筑)，要進行易 損部位(薄弱層)的彈塑性變形驗算，第二階段設計 并采取措施提高薄弱層的承載力或增加變形能力，使薄弱層的塑性水平變位不超過允許的變位。

這一階段設計主要是對甲類建筑和特別不規則的結構(圖2-2)。

第二階段設計求樓層屈服強度系數以確定樓層的薄弱部位計算層間彈塑性位移:1.簡化法;2.時程分析法層間彈塑性位移驗算改變截面或配筋采取增加延性的措施結束第三節結構抗震設計的基本要求一、抗震結構體系抗震結構體系要求受力明確、傳力合理且傳力路線不間斷，使結構的抗震分析更符合結構在地震時的實際表現，對提高結構的抗震性能十分有利，是結構選型與布置結構抗側力體系時首先考慮的因素之一。合理選擇結構體系。對于鋼筋混凝土結構，一般來說純框架結構抗震能力較差；框架-剪力墻結構性能較好；剪力墻結構和筒體結構具有良好的空間整體性，剛度也較大，歷次地震中震害都較小。平面布置力求簡單、規則、對稱，避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位；避免在凹角和端部設置樓電梯間；避免樓電梯間偏置，以免產生扭轉的影響。豎向體型盡量避免外挑，內收也不宜過多、過急，力求剛度均勻漸變，避免產生變形集中。不僅主體結構，而且非結構墻體(特別是磚砌體填充墻)的不規則、不連續布置也可能引起剛度的突變。二、抗震結構的承載力/變形能力/剛度

結構的承載力、剛度要適應在地震作用下的動力要求，并應均勻連續分布。

在一般靜力設計中，任何結構部位的超強設計都不會影響結構的安全。但是，在抗震設計中，某一部分結構的超強，就可能造成結構的相對薄弱部位。

因此，抗震設計中要嚴格遵循該強的就強，該弱的就弱原則，不得任意加強，以及在施工中以大代小、以高鋼號代低鋼號改變配筋，如必須代換時，應按鋼筋抗拉承載力設計值相等的原則進行換算。頂層、中間樓層取消部分墻柱形成大空間層后，要調整剛度并采取構造加強措施。底層部分剪力墻變為框支柱或取消部分柱子后，比上層剛度削弱更為不利，應專門考慮抗震措施。高層建筑突出屋面的塔樓必須具有足夠的承載力和延性，以承受高振型產生的鞭梢效應影響。必要時可以采用鋼結構或型鋼混凝土結構。

節點的承載力和剛度要與構件的承載力與剛度相適應。節點的承載力應大于構件的承載力。要從構造上采取措施防止反復荷載作用下承載力和剛度過早退化。構件設計應采取有效措施防止脆性破壞，保證構件有足夠的延性。脆性破壞指剪切、錨固和壓碎等突然而無事先警告的破壞形式。

設計時應保證抗剪承載力大于抗彎承載力，按“強剪弱彎”的方針進行配筋。 為提高構件的抗剪和抗壓能力，加強約束箍筋是有效措施。保證地基基礎的承載力、剛度和有足夠的抗滑移、抗轉動能力，使整個高層建筑成為一個穩定的體系，防止產生過大的差異沉降和傾覆。保證結構有足夠剛度，限制頂點和層間位移。在小震時，應防止過大位移使結構開裂，影響正常使用；中震時，應保證結構不致于嚴重破壞，可以修復；在強震下，結構不應發生倒塌，也不能因為位移過大而使主體結構失去穩定或基礎轉動過大而傾覆。三、抗震結構的彈性水平位移控制

彈性位移角控制－層間位移角限值:即需滿足層間位移角的限值。指最大層間位移與層高之比，第i層的指第i層和第i－1層在樓層平面各處位移差

中的最大值。由于建筑結構在水平力作用下幾乎都會產生扭轉，所以的最大值一般是在結構單元的邊角部位。層間位移角不扣除整體彎曲轉角產生的側移，抗震時可不考慮質量偶然偏心的影響。高度不大于150m的高層建筑，參見JGJ3－2002；超過250m的高層建筑＝1/500；150－250m的高層建筑按線性插值考慮。層間位移角控制是為保證在正常使用條件下結構具有必要的剛度，

具體為：保證主結構處于彈性受力狀態，對鋼筋砼結構來講，要避免砼墻或柱出現裂縫；同時，將砼梁等樓面構件的裂縫數量、寬度和高度限值在規范允許范圍內。保證填充墻、隔墻、和幕墻等非結構構件的完好， 避免產生明顯損傷。四、抗震結構的多道抗震防線

抗震結構在設計上和構造上實現多道設防。如框架結構采用強柱弱梁設計，梁屈服后柱仍能保持穩定；框架-剪力墻結構設計成連梁首先屈服，然后是墻肢，框架作為第三道防線；

剪力墻結構通過構造措施保證連梁先屈服，并通過空間整體性形成高次超靜定等。 高層建筑避免采用純框架結構。

多道抗震防線指的是：第一，一個抗震結構體系，應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作。

如框架-抗震墻體系是由延性框架和抗震墻二個系統組成；雙肢或多肢抗震墻體系由若干個單肢墻分系統組成。

第二，抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部贅余度，有意識地建立起一系列分布的屈服區，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復。五、抗震薄弱層/部位的概念，也是抗震設計中的重要概念，包括：

結構在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力分析(而不是承載力設計值的分析)是判斷薄弱層(部位)的基礎；

要使樓層（部位）的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層（或部位）的這個比例有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中；要防止在局部上加強而忽視整個結構各部位剛度、強度的協調；在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。

六、抗震結構的地震作用

地震的作用是相當復雜的，帶有很多不確定因素。即使在相同的設防烈度下(相同時)，不同的地震波使建筑產生的反應不同，而且離散性很大。現行抗震規范給出的反應譜曲線，也只是很多不同地震的實際反應譜的平均數值，因此，將來遇到實際的地震時，其地震作用可能低于規范計算的數值，也可能高于這一數值，不能認為按反應譜曲線計算得到的地震作用就是真正的、確實的數值。所以，結構抗震設計必須多方面考慮，并留有充分的余地。

與風荷載作用的時間(常為幾十分鐘至幾個小時)相比，地震作用的時間是非常短促的，一次地震往往只經歷幾十秒鐘，其中最強烈的振動可能只有幾秒鐘。

地震持續時間越長，破壞越嚴重。1985年9月墨西哥地震最大加速度達0.2g（g為重力加速度），持續時間長達3min之久，因而造成了嚴重的損失。衡量地震作用強烈程度目前常用地面運動的最大加速度作為標志，它就是建筑抗震設計時的基礎輸入最大加速度，其單位為重力加速度g（9.81m/s2）或Gal（gal＝10mm/s2）， 大體上，7度相當于最大加速度為100Gal，8度相當于200Gal，9度相當于400Gal。

結構自振周期應與地震動卓越周期錯開，避免共振造成災害。地震動卓越周期又稱地震動主導周期，是根據地震時某一地區地面運動記錄計算出的反應譜的主峰值位置所對應的周期，

它是地震震源特性、傳播介質和該地區場地條件的綜合反應，并隨場地覆蓋土層增厚變軟而加長。在地震時，結構因地面振動而產生慣性力，使建筑產生內力，振動建筑會產生位移、速度和加速度。地震力大小與建筑的質量與剛度有關。在同等的烈度和場地條件下，建筑的重量越大，受到地震力也越大，因此減小結構自重不僅可以節省材料，而且有利于抗震。

同樣，結構剛度越大、周期越短，地震作用也大，因此，在滿足位移限值的前提下，結構應有適宜的剛度。適當延長建筑的周期，從而降低地震作用，這會取得 很大的經濟效益。目前，大多數建筑在抗震設計時，只對平面兩個正交方向分別進行單向地震作用計算，不考慮雙向、甚至三向地震的藕聯作用。實際上地震是非常復雜的三維振動，不僅在水平方向上x向與y向同時進行振動，而且還有顯著的豎向(z向)振動。僅就水平方向上的振動而言，也是極不規則的。豎向振動最大加速度可達到水平地震加速度的50％-60％，它對高層建筑、長懸臂結構和大跨度結構都有顯著的影響。

地震對建筑作用的顯著特點是與建筑本身和場地土的動力特性有關。七、抗震結構的延性

有抗震設防要求的建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載以外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震時不壞，中震可時修，大震時不倒塌。

即當遭遇到相當于設防烈度的地震時，有小的損壞，經一般修理仍能繼續使用；當遭遇超設防烈度強震時，結構有損壞，但不致使人民生命財產和重要機電設備遭受破壞，使結構做到裂而不倒。建筑結構是否具有耐震能力，主要取決于結構所能吸收和消耗的地震能量。結構抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的。

當結構承載力較小，但具有很大延性，所能吸收的能量多，雖然較早出現損壞，但能經受住較大的變形，避免倒塌。

但是，僅有較大承載力而無塑性變形能力的脆性結構，吸收的能量少，一旦遭遇超過設防烈度的地震作用時，很容易因脆性破壞使房屋造成倒塌。

一個構件或結構的延性用延性系數表達，一般用其最大允許變形與屈服變形的比值表達，變形可以是線位移、轉角或層間側移，其相應的延性，稱之為線位移延性、角位移延性和相對位移延性。

結構延性的表達式：,

設為結構屈服時荷載；則為結構屈服荷載所對應的變形； 為結構極限荷載；為結構極限荷載或降低10％時所對應的最大允許變形(或)。

鋼筋混凝土是一種彈塑性材料，鋼筋混凝土結構具有塑性變形的能力，當地震作用下結構達到屈服以后，利用結構塑性變形來吸收能量。增加結構的延性，不僅能削減地震反應，而且提高了結構抗御強烈地震的能力。

結構或構件的延性是通過試驗測定的，是由采取一系列的構造措施實現的。因此，在結構抗震設計中必須嚴格執行規范、規程中有關的構造要求。從保證延性的重要性而言，抗震結構的構造措施比計算更重要。建筑鋼筋混凝土結構的延性要求為。為了保證結構的延性，構件要有足夠的截面尺寸，柱的軸壓比，梁和剪力墻的剪壓比，構件截面配筋率要適宜，應遵照規范、規程的規定要求。

合理地控制結構的非彈性部位(塑性鉸區)，掌握結構的屈服過程及最后形成的屈服機制。要采取有效措施防止過早的混凝土剪切破壞、鋼筋錨固滑移和混凝土壓碎 等脆性破壞。

為保證混凝土與鋼筋共同工作，必須使鋼筋有足夠的錨固長度和混凝土保護層厚度。在設計中無論柱、梁的縱向鋼筋、墻的分布鋼筋和樓板鋼筋，直徑宜細不宜粗，間距宜密不宜稀。

合理設置防震縫。一般情況下宜采取調整平面形狀與尺寸，加強構造措施，設置后澆帶等方法盡量不設縫、少設縫。必須設縫時必須保證有足夠的寬度。

第四節結構的抗震性能

一、構件的抗震性能一般認為：當構件吸收到一定值的地震能量以后，便會破壞。所吸收的能量E可由力-位移曲線的面積來表示。

當結構是完全彈性時，位移是直線關系(圖-1)，當的面積達到一定數值時，構件破壞；如果構件有一定的塑性變形能力，則當吸收的地震能量相同時，受到的地震力較小(圖-2)；塑性變形的能力越大，則受到 地震力越小(圖-3)。如圖-1這種彈性變形的構件，是以承載力為抗震能力； 而圖-2和圖-3這樣的構件，具有較強的彈塑性變形能力，則是以非線性變形(延性)作為抗震能力。 在的條件下，有,相應地。

即是說，可利用構件的變形能力來降低地震的作用。如上所述，將構件破壞時變形與屈服時變形的比值稱為構件的延性系數。延性系數越大，結構在強震作用下可以忍受大的塑性變形而不破壞倒塌，可以使地震作用更多地降下來。因此高層建筑結構的設計和配筋構造都要保證它具有足夠的延性。構件的延性由以下因素來保證：

足夠的截面尺寸； 適宜的配筋； 充分的構造措施。二、整個結構的抗震性能

結構整體的抗震性能取決于如下因素：

各構件的承載能力和變形性能； 構件之間連接構造的合理性； 結構的穩定性； 結構的整體性和空間工作能力； 設有多道抗震設防系統； 非主要構件的抗震能力。當結構按保證強度(承載力)和保證變形(延性)兩種方法來進行抗震設計時，各種應考慮的因素如下所示:從根本上說，建筑結構的抗震驗算應該是在強烈地震下彈塑性變形能力和承載力極限狀的驗算。 強烈地震下結構構件的安全性主要取決于承受變形的能力，而不僅僅是承載力。

結構構件所需的變形能力與結構構件所具有的最大承載力也是有密切聯系的，而且是隨結構類型和構件在結構中所處部位的不同而不同的。

砌體結構的變形能力較小，實現大震不倒需要有相對較高的承載力； 而變形能力較好的鋼結構，所需的承載力則可能較低些。

房屋結構的抗震驗算，與非抗震設計的明顯差異，主要表現在驗算范圍、作用效應組合和承載力計算三個方面。第五節結構抗震的概念設計

隨著建筑功能的多樣化和城市發展的需要：

(1)建筑的層數越來越多高度越來越大

(2)平面布置和立面布置越來越復雜

計算機技術和結構分析軟件的發展

(1)普及

(2)結構計算分析的精確度越來越高

(3)費用下降

若結構嚴重不規則、整體性差,僅按目前的結構設計計算水平將難以保證結構的抗震性能設計中不能陷入只憑計算的誤區，應特別重視規范規程中有關結構概念設計的各種規定。

結構抗震概念設計對結構的抗震性能將起決定性作用，因此，

結構抗震設計首先必須遵循正確的抗震概念設計的思路，滿足抗震概念設計的要求，以此為基礎，再輔以必要的抗震計算。

抗震計算當然是很重要的，不可缺少的。但概念設計是抗震計算的前提和基礎。概念設計與抗震計算相比，起著更為決定性的作用，主要原因如下：地震地面運動的不確定性

由于當代科技水平的限制，作為抗震計算依據的設防烈度或相應的設計基本地震加速度的劃分，還難以十分確切。

地震時，地震波從震源(斷層)傳遞至地面，必須經過基巖的折射，土層中的非線性傳播，不同土層的濾波等，是一個極為復雜的、多變的、非線性的過程，導致地面運動的特征及地面加速度難以準確確定。

例如，美國學者曾分析了El-centro臺站上的15次地震記錄后指出，不同震源引起的地震加速度反應譜差別很大。作為世界上對工程地震的研究最富有成果的美國圣費爾南多(SanFernando)地區，在圣費爾南多地震中，竟然有60％的發震斷層從未被發現過。

近幾十年來我國發生的大地震，大多數超過了原定的設防烈度，原為6度的地區，卻發生了遠遠超過6度的地震，造成嚴重的社會影響和重大的經濟損失。

例如，原來都為6度的地區，1966年3月22日的河北邢臺地震，高達10度；1969年7月26日廣東陽江地震，高達8度；1975年2月4日遼寧海城地震，高達9度；1976年7月28日河北唐山地震，高達11度。

因此，設計者如果僅僅依據設防烈度進行的抗震計算結果完成抗震設計，有時是難以確保安全的。地震時地面運動的復雜性及對結構的復雜影響尚未被掌握

地震時地面運動一般可分解為6個自由度,但世界各國至今只記錄到最簡單的水平分量和豎向分量的地面運動記錄，

尚未記錄到對結構破壞也有很大影響的扭轉分量的地面運動記錄，至于其他多種多樣的復雜的地面運動分量及其組合作用，至今尚遠未被人們所掌握。

而目前的抗震計算，只是按照最簡單的水平或豎向進行計算，顯然與復雜地面運動的實際作用有所差別。地震時不同地面運動導致結構破壞的機理的復雜性也尚未被掌握

例如，美國1971年2月9日圣費爾南多地震中，地面記錄顯示有兩個加速度峰值的脈沖，第一個脈沖的加速度值為0.06g，第 二個脈沖的加速度值為1.25g，

按照抗震計算的規定，必須取第二個脈沖作為最不利的計算值，但對某醫院的地震記錄及分析表明，造成該建筑物破壞的是第一個脈沖。類似的復雜例子不勝枚舉。

所以，根據目前的抗震計算所得到的結果，有時存在較大的誤差。結構抗震計算理論目前尚未能充分反映地震時結構反應及破壞的復雜過程

地震時結構的破壞是一個不斷變化的非線性的、累積性的復雜過程，

包括結構及構件從出現裂縫至嚴重損壞過程各種動力特性(結構基本周期、剛度、阻尼等)的非線性變化；

結構薄弱層或塑性鉸的出現、變形集中或轉移而導致結構剛度和內力的重分布； 結構不同方向構件的空間作用、藕聯作用、填充墻及其他非結構構件的影響等等。

目前的抗震計算理論及相應的抗震計算程序均把這些很復雜的影響因素簡單化或予以忽略，導致某些結構抗震計算的分析結果與地震時結構的實際反應差別較大。

因此，僅僅根據抗震計算結果而完成的抗震設計，有時是片面的，甚至是不安全的。只有建立在正確的概念設計基礎上并輔以必要的抗震計算而完成的抗震設計，才能使結構具有較可靠的抗震性能。

因為概念設計是根據結構經歷真實地震考驗的經驗總結或大型地震模擬試驗的分析結果而建立的，有些規律是目前的理論分析或理論計算所難以解釋或難以準確計算的。

結構抗震概念設計的目標是使整體結構能發揮耗散地震能量的作用，避免結構出現敏感的薄弱部位，地震能量的耗散僅集中在極少數薄弱部位，導致結構過早破壞。

現有抗震設計方法的前提之一是假定整個結構能發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，或采用動力時程分析進行驗算，試圖達到罕遇地震作用下結構不倒塌的目標。

一、結構的簡單性結構的簡單是指結構在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑，結構的計算模型、內力和位移分析以及限制薄弱部位出現都易于把握，對結構抗震性能的估計也比較可靠。二、結構的規則和均勻性

沿建筑豎向，建筑造型和結構布置比較均勻，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結構在豎向某一樓層或極少數幾個樓層出現敏感的薄弱部位。這些部位將產生過大的應力集中或過大的變形，容易導致結構過早地倒塌。

建筑平面比較規則，平面內結構布置比較均勻，使建筑分布質量產生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質量分布與結構剛度分布協調，限制質量與剛度之間的偏心。

建筑平面規則、結構布置均勻，有利于防止薄弱的子結構過早破壞、倒塌，使地震作用能在各子結構之間重分布，增加結構的贅余度數量，發揮整個結構耗散地震能量的作用。三、結構的剛度和抗震能力

水平地震作用是雙向的，結構布置應使結構能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使結構沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力。結構的抗震能力則是結構承載力及延性的綜合反映。

結構剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結構剛度,以減少地震作用效應，但也要注意控制結構變形的增大，過大的變形將會因效應過大而導致結構破壞。

結構除需要滿足水平方向的剛度和抗震能力外，還應具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。現有抗震設計計算中不考慮地震地面運動的扭轉分量，在概念設計中應注意提高結構的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。

四、結構的整體性

高層建筑結構中，樓蓋對于結構的整體性起到非常重要的作用。樓蓋相當于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側力子結構，

而且要使這些子結構能協同承受地震作用，特別是當豎向抗側力子結構布置不均勻或布置復雜或各抗側力子結構水平變形特征不同時，整個結構就要依靠樓蓋使各抗側力子結構能協同工作。

樓蓋體系最重要的作用是提供足夠的面內剛度和抗力，并與豎向各子結構有效連接，當結構空曠、平面狹長或平面凹凸不規則或樓蓋開大洞口時，更應特別注意。

設計中不能誤認為，在多遇地震作用計算中考慮了樓板平面內彈性變形影響后，就可削弱樓蓋體系。

高層建筑基礎的整體性以及基礎與上部結構的可靠連接是結構整體性的重要保證。

地震作用效應基本組合中，含有考慮抗震概念設計等的各種效應調整系數。 例如用周期折減系數來反映某些難以準確計算的構件剛度的影響；

出屋面小建筑地震剪力的增大；樓層地震剪力在抗側力構件之間考慮樓蓋平面內變形和多道防線的分配；交叉支撐中拉壓桿的內力調整；剛度突變的軟弱層地震剪力調整；豎向不連續構件傳遞給水平轉換構件的地震內力調整等等。

混凝土結構抗震措施中規定的內力調整，例如強柱弱梁和強剪弱彎的內力調整，是在基本組合后進行調整，也屬于考慮抗震概念設計的效應調整。第六節多高層建筑結構計算軟件的基本要求多高層建筑結構是復雜的三維空間受力體系，計算分析時應根據結構實際情況，選取能較準確地反映結構中各構件的實際受力狀況的力學模型。

對于平面和立面布置簡單規則的框架結構、框架-剪力墻結構宜采用空間分析模型，可采用平面框架空間協同模型； 對剪力墻結構、筒體結構和復雜布置的框架結構、框架-剪力墻結構應采用空間分析模型。目前國內商品化的結構分析軟件所采用的力學模型主要有：空間桿系模型、空間桿-薄壁桿系模型、空間桿-墻板元模型及其他組合有限元模型。多高層建筑按空間整體工作計算時，不同計算模型的梁、柱自由度是相同的：梁的彎曲、剪切、扭轉變形，當考慮樓板面內變形時還有軸向變形；柱的彎曲、剪切、軸向、扭轉變形。

當采用空間桿-薄壁桿系模型時，剪力墻自由度考慮彎曲、剪切、軸向、扭轉變形和翹曲變形；當采用其他有限元模型分析剪力墻時，剪力墻自由度考慮彎曲、剪切、軸向、扭轉變形。

高層建筑層數多、重量大，墻、柱的軸向變形影響顯著，計算時應考慮。構件內力是與其變形相對應的，分別為彎矩、剪力、軸力、扭矩等，這些內力是構件截面承載力計算的基礎，如梁的彎、剪、扭，柱的壓(拉)、彎、剪、扭，墻肢的壓(拉)、彎、剪，等等。在內力與位移計算中，型鋼混凝土和鋼管混凝土構件宜按實際情況直接參與計算，此時，要求計算軟件具有相應的計算單元。

對結構中只有少量型鋼混凝土和鋼管混凝土構件時，也可等效為混凝土構件進行計算，比如可采用等剛度原則。構件的截面設計應按國家現行有關標準進行。

根據具體工程情況，選擇使用合適、可靠的計算分析軟件。對計算軟件產生的計算結果從力學概念和工程經驗等方面加以分析判斷，確認其合理性和可靠性，方可用于工程設計。

工程經驗上的判斷一般包括：結構整體位移、結構樓層剪力、振型形態和位移形態、結構自振周期、超筋超限情況等。對關鍵的抗震薄弱部位和構件，抗震承載力必須滿足要求，必要時應采用手算復核，避免電算結果因計算模型不完全符合實際而造成安全隱患。第七節建筑結構的抗震等級

(JGJ3－2001高層砼規程)

多高層房屋適用高度和高寬比的確定

(1)

鋼筋混凝土高層建筑結構的最大適用高度和高寬比分為A級和B級。

B級高度高層建筑結構的最大適用高度和高寬比較A級有所放寬，其結構抗震等級和有關的計算、構造措施應符合高規相應條文的規定。

多層建筑結構只有A級適用高度。

(2)

A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度宜符合高規表4.2.2-1的規定，具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構的最大適用高度應符合高規第7.1.2條的規定。

框架-剪力墻、剪力墻和筒體結構高層建筑，其高度超過高規表4.2.2-1規定時為B級高度高層建筑。

B級高度鋼筋混凝土乙類和丙類高層建筑的最大適用高度應符合高規表4.2.2-2的規定。

(3)

高層建筑的高寬比，是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。

A級高度高層建筑的高寬比限值見高規表4.2.3-1，

B級高度高層建筑的高寬比限值見高規表4.2.3-2。在復雜體型的高層建筑中，如何計算高寬比是比較難以確定的問題

一般可按所考慮方向的最小投影寬度計算高寬比，但對突出建筑平面很小的局部結構(如樓梯間、電梯間等)，一般不應包含在計算寬度內；對于不宜采用最小投影寬度計算高寬比的情況，應由設計人員根據實際情況確定合理的計算方法；

對帶有裙房的高層建筑，當裙房的面積和剛度相對于其上部塔樓的面積和剛度較大時，計算高寬比的房屋高度和寬度可按裙房以上部分考慮。目前超過B級高度高層建筑的高寬比是極個別的，例如上海金茂大廈(88層，420m)為7.6，深圳地王大廈(81層，320m)為8.8。高層建筑的高寬比在滿足限值時，可不進行穩定驗算，超過限值時應進行穩定驗算。

多高層建筑結構的抗震措施是根據抗震等級確定的，抗震等級的確定與建筑的類別相關。

不同的建筑類別在考慮抗震等級時取用的抗震烈度與建筑場地類別有關，也就是考慮抗震等級時取用烈度與抗震計算時的設防烈度不一定相同。建筑結構應根據其使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁類四個抗震設防類別。高層建筑沒有丁類抗震設防。

各抗震設防類別的高層建筑結構，其抗震措施應符合下列要求：

(1)甲類、乙類建筑：當本地區的抗震設防烈度為6-8度時，應符合本地區抗震設防烈度提高一度的要求；當本地區的設防烈度為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。當建筑場地為Ⅰ類時，應允許仍按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施；

(2)

丙類建筑：應符合本地區抗震設防烈度的要求。當建筑場地為Ⅰ類時，除6度外，應允許按本地區抗震設防烈度降低一度的要求采取抗震構造措施。

按建筑類別及場地調整后用于確定抗震等級烈度如下表所示。表

按調整后的抗震等級烈度

表中:9*表示比9度一級更有效的抗震措施，主要考慮合理的建筑平面及體型、有利的結構體系和更嚴格的抗震措施。具體要求應進行專門研究。

抗震設計時，多高層建筑鋼筋混凝土結構構件應根據設防烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造措施要求。

A級高度丙類建筑鋼筋混凝土結構的抗震等級應按下表確定。表

A級高度的高層建筑結構抗震等級注：１接近或等于高度分界時，應結合房屋不規則程度 及場地、地基條件適當確定抗震等級； ２底部帶轉換層的筒體結構，其框支框架的抗震 等級應按表中框支剪力墻結構的規定采用； ３板柱－剪力墻結構中框架的抗震等級應與表中 “板柱的柱”相同。

當本地區的設防烈度為9度時，A級高度乙類建筑的抗震等級應按高規第4.8.3條規定的特一級采用，甲類建筑應采取更有效的抗震措施。 注：本規程“特一級和一、二、三、四級”即“抗震等級為特一級和一、二、三、四級”的簡稱。

抗震設計時，B級高度丙類建筑鋼筋混凝土結構的抗震等級應按下表確定。

表

B級高度的高層建筑結構抗震等級

注：底部帶轉換層的筒體結構，其框支框架和底部加強部位筒體的抗震等級應按表中框支剪力墻結構的規定采用。

建筑場地為Ⅲ、Ⅳ類時，對設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區，宜分別按抗震設防烈度8度(0.20g)和9度(0.40g)時各類建筑的要求采取抗震構造措施。

抗震設計的多高層建筑，當地下室頂層作為上部結構的嵌固端時，地下一層的抗震等級應按上部結構采用。

地下一層以下結構的抗震等級可根據具體情況采用三級或四級，地下室柱截面每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外，不應少于地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1倍。

地下室超出上部主樓范圍且無上部結構的部分，其抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。

9度抗震設計時，地下室結構的抗震等級不應低于二級。抗震設計時，與主樓連為整體的裙樓的抗震等級不應低于主樓的抗震等級；

主樓結構在裙房頂部上、下各一層應適當加強抗震構造措施。

房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時，宜采用型鋼混凝土、鋼管混凝土柱，或采用高強度混凝土。

高層建筑結構中，抗震等級為特一級的鋼筋混凝土構件，除應符合一級抗震等級的基本要求外，尚應符合下列規定：

框架柱應符合下列要求： 宜采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱；柱端彎矩增大系數、柱端剪力增大系數應增大20％；

鋼筋混凝土柱柱端加密區最小配箍特征值應按高規中表6.4.7的數值增大0.02采用；

全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率，中、邊柱取1.4％，角柱取1.6％。

框架梁應符合下列要求：

梁端剪力增大系數應增大20％；梁端加密區箍筋構造最小配箍率應增大10％。

框支柱應符合下列要求：宜采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱；底層柱下端及與轉換層相連的柱上端的彎矩增大系數取1.8，其余層柱端彎矩增大系數應增大20％；

柱端剪力增大系數應增大20％；地震作用產生的柱軸力增大系數取1.8，但計算柱軸壓比時可不計該項增大；

鋼筋混凝土柱柱端加密區最小配箍特征值應按高規中表6.4.7的數值增大0.03采用，且箍筋體積配箍率不應小于1.6％；全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率取1.6％。筒體、剪力墻應符合下列要求

底部加強部位及其上一層的彎矩設計值應按墻底截面組合彎矩計算值的1.1倍采用，其他部位可按墻肢組合彎矩計算值的1.3倍采用；

底部加強部位的剪力設計值，應按考慮地震作用組合的剪力計算值的1.9倍采用，其他部位的剪力設計值，應按考慮地震作用組合的剪力計算值的1.2倍采用； 一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率應取為0.35％，底部加強部位的水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率應取為0.4％；約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率應取為1.4％，配箍特征值宜增大20％； 構造邊緣構件縱向鋼筋的配筋率不應小于1.2％；框支剪力墻結構的落地剪力墻底部加強部位邊緣構件宜配置型鋼，型鋼宜向上、下各延伸一層。

剪力墻和筒體的連梁應符合下列要求：

當跨高比不大于2時，應配置交叉暗撐；當跨高比不大于1時，宜配置交叉暗撐；交叉暗撐的計算和構造宜符合高規第9.3.8條的規定。第八節地下室抗震設計

帶地下室建筑的一個重要特點是

上部結構與地下室具有共同的位移場，相互協調變形，而且地下室外的回填土對結構具有一定的約束作用。 這種約束作用主要表現在對地下室水平位移的約束，而對豎向位移和豎向轉動的約束作用十分有限，一般可以忽略不計。 目前，在上部結構設計計算時將嵌固端取在±0.0處或某層地下室頂板位置，以嵌固端為界將上部結構與下部結構分離開，建立兩套數據文件，按照上部結構和下部結構的不同要求，分別進行計算。

在地下室剛度足夠大時(例如箱基)，這樣的模型簡化誤差不大，這種簡化措施是可行的。 但由于地下大空間利用要求限制，現在設計的地下室已經很少采用箱基，而且許多地下室都用作停車庫或商場，空間分割靈活，其水平剛度和豎向剛度都有限，對于這樣的工程，上述簡化模型導致的誤差已不可忽視。一、分析模型

《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)第6.1.14條、《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)第5.3.7條都規定:

當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，地下室結構的樓層側向剛度不宜小于相鄰上部結構樓層側向剛度的2倍。

當剛度比不滿足嵌固部位的樓層側向剛度比規定時，“高規”宣貫培訓材料[高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2002)，宣貫培訓材料[R].中國建筑科學研究院建筑結構研究所,2002:5-12]

建議：有條件時可增加地下室樓層的側向剛度，或者將主體結構的嵌固部位下移至符合要求的部位。 規范中的“嵌固部位”應理解為是在該部位限定結構的水平位移，而對其它自由度并不施加任何限制條件。這樣理解與目前設計的工程實際是相符的。

帶地下室結構的分析模型簡化，核心問題有：

(1)如何合理考慮地下室的剛度；

(2)如何正確反映地下室外回填土的約束作用；

(3)如何考慮基礎的影響。 為合理地考慮地下室剛度，可真實地將地下室與上部結構一起建模，建立一個包括上部結構和地下室所有構件在內的綜合模型。

文獻[李云貴.上部結構與地下室共同工作分析及地下室設計在SATWE中的實現，建筑結構學報，2005；26(1):114-118]建議： 計算模型中暫不考慮基礎的影響，近似考慮地下室外回填土的約束作用，并將結構的嵌固