《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）若干问题的讨论

段习武

广州亚美建筑设计有限公司广东省广州市510510

摘要：结合使用《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）进行结构设计的实践经验，对《规程》中若干问题的理解和应用进行了分析和探讨，主要包括：框架结构底层柱加强、少柱剪力墙结构的设计方法、剪重比不满足时的调整方法问题，供同行交流和参考。

关键词：高层建筑；混凝土结构；结构底层；剪力墙结构；剪重比

1、引言

《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]（JGJ3-2010）（以下简称《高规》）是我国高层混凝土结构工程设计的指导规范，自2010年发布以来受到广大设计人员的广泛关注。近年来，我们按照《高规》进行了大量的工程设计实践，在此过程中，也常遇到一些规程未明确规定或规定比较模糊的问题，主要包括：框架结构底层柱加强、少柱剪力墙结构的设计方法、剪重比不满足时的调整方法等问题。对于这些问题，由于每位设计人员的理解可能各不相同，有的理解可能背离规程的原有意图，造成设计的不合理或存在安全隐患，因此，有必要对这些问题进行进一步的研究和讨论。

2、若干问题的讨论

2.1框架结构底层柱加强的问题

为了减小框架结构底层柱下端截面出现塑性铰的可能性，《高规》6.2.2条规定：抗震设计时，一、二、三级框架结构的底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3。此处，规程对“底层”并未作出明确规定。有一种观点认为，此处“底层”指计算嵌固端所在的层。笔者认为，这种观点值得商榷，其原因如下：

其一，嵌固端是指预期塑性铰出现的位置，其物理意义是水平位移和转角为零。实际上，完全满足此条件的嵌固端是不存在的，一般所说的嵌固端都是相对的，故计算的嵌固部位仅仅是一个计算假定。一般的高层建筑均设置地下室，地下室由于土层对地下室外墙的约束，其位移较上部结构小很多，地下室顶板实际上对上部结构就形成了一定的嵌固作用，这一事实与计算嵌固端假定于何处无关。故笔者认为，带地下室的高层建筑，其针对《高规》6.2.2条所对应的底层，应为地下室以上的首层。

其二，汶川地震后的实际震害调查发现：对于持力层较深，基础有一定埋置深度、地面附近设有拉梁的框架结构，首层柱脚的破坏均在刚性地面以上，即使回填土发生下陷，导致地面变形，也基本没有观察到地表以下、基础顶面以上区段框架柱的破坏情况[2]。这一情况说明，刚性地坪和其下的填土对首层柱形成了较强的约束（嵌固），导致柱底的塑性铰出现在刚性地坪以上。

基于上述理由，笔者认为：《高规》6.2.2条所对应的“底层”并非特指计算嵌固端所在的层，设计时应根据具体情况区别对待，采取不同的措施：

当建筑物有地下室时，不论其计算嵌固端位于何处，其底层应为地下室顶板以上的首层，其首层柱底弯矩设计值应按《高规》6.2.2条乘以增大系数，同时柱配筋满足底层柱的构造要求（图1）。

当建筑物没有地下室时，其底层应为基础顶面以上的首层（图2）。由于刚性地坪对首层柱有较强的约束，应补充计算结构嵌固于首层地面（首层柱高度Hn’）的情况，与结构嵌固于基础面（首层柱高度Hn）的结果比较，取包络设计。同时，柱底箍筋加密区高度应从取Hn’/3和Hn/3的较大值。

2.2少柱剪力墙结构的设计方法

所谓的“少柱剪力墙结构”是指：剪力墙结构中设置少量和个别框架，且底部框架部分承担的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的10％。对于这种结构，《高规》8.1.3-1规定的设计方法是：按剪力墙结构进行设计，其中的框架部分应按框架－剪力墙结构的框架进行设计。根据《高规》的规定和其条文说明的解释，可将少柱剪力墙结构的设计方法总结归纳如下表：

表1.少柱剪力墙结构的设计标准

由上表可见，《高规》对少柱剪力墙结构的设计标准是比较严格的，如“最大适用高度”和“位移限制”的指标控制均分别按“框－剪结构”和“剪力墙结构”从严取值，而框架总剪力也需按“框－剪结构”进行调整，这样从严的规定，可以确保结构有足够的安全度。

而对于剪力墙和框架的抗震等级，如按表1规定的方法确定，则可能会遇到问题，以实例说明（图3）：某20层住宅工程位于7度设防区，总高度61.5m，采用剪力墙结构，局部由于建筑使用要求，布置2个框架柱。

图3某住宅标准层结构布置图

根据计算，底层框架承担的地震倾覆力矩与底部总地震倾覆力矩的比值为4.5％（X向）和3.2％（Y向）。查表可知剪力墙的抗震等级为三级（按剪力墙结构查表）；框架部分按框－剪结构设计，查表得框架（含框架柱和框架梁）的抗震等级为二级。剪力墙抗震等级反而低于框架，显然不合理。

我们知道，在典型的框架－剪力墙结构中，剪力墙为抗震的第一道防线，框架为第二道防线，一般来说，框架的抗震等级不会高于剪力墙，这是由于，作为第一道防线的剪力墙将承担更多的地震作用，在中震、大震时将先于框架破坏。在本例中，框架承担的地震作用很小，绝大部分地震作用均由剪力墙承担，其工作性能接近纯剪力墙结构，故按剪力墙结构确定剪力墙的抗震等级是合理的。而对于框架部分，由于其承担的地震作用很少，且其很难起到抗震设防的第二道防线的作用，故其抗震等级按与剪力墙相同即可，而不必高于剪力墙。

2.3剪重比不满足时的调整方法

《高规》4.3.12条以强制性条文规定：多遇地震水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求：

式中，λ为水平地震剪力系数（即剪重比），对于周期小于3.5s的结构，λ=0.2αmax（水平地震影响系数最大值）。规程对楼层的最小地震剪力作出规定，主要是考虑对于长周期结构，采用振型分解反应谱法计算得到的水平地震作用可能过小，因为对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响。

当剪重比λ不满足要求时，结构水平地震总剪力和各楼层的水平地震剪力均需进行相应的调整或改变结构刚度使之达到规定的要求。一般认为，当剪重比不满足规范规范要求时，按如下方法调整[3]：

（1）不满足剪重比的楼层数大于总层数的15％或底部楼层的剪重比小于规范要求的85%时，说明结构刚度偏弱（或结构太重），应采取调整结构体系，增强结构刚度（或减小结构重量）的方法。

（2）除第（1）条规定的结构，可采取按比例放大楼层剪力的方法。需要注意：只要底部总剪力不满足要求，则结构各楼层的剪力均需调整，不能仅调整不满足楼层。

上述调整方法特别强调当底部总剪力与规范规定相差加大或结构下部不满足剪重比的楼层数量较多时，需要调整结构的刚度来满足剪重比要求。按照这样的规定，可能会造成某些不合理的现象。如广东云浮30层的某剪力墙结构住宅工程，总高度91.5m，6度设防，Ⅰ类场地，T1=3.2s，经计算，底层剪重比为0.57％，仅为规范规定的71％，且下部较多楼层不满足剪重比要求，一直到第10层才能满足0.8％的规定。但是，同一栋楼，当建在场地类别为Ⅲ类的场地，其剪重比却很好的能满足规范要求，不需要调整结构刚度。这意味着，相同的结构，在抗震有利场地反而要做得更刚才能满足规范要求，显然不合理。经过分析，笔者认为：《高规》规定的楼层最小地震剪力系数λ仅与地震影响系数的最大值（αmax）相关，与场地类别无关，这有悖于软土场地上建筑物的地震反应大于硬土场地上地震反应的一般规律，导致Ⅰ、Ⅱ类场地的长周期建筑物比Ⅲ、Ⅳ类场地更难满足最小地震剪力要求的不合理现象。

实际上，楼层最小剪力系数λ不是反应谱特性的一部分，而是由于对长周期结构地震反应研究不够深入，采用振型分解反应谱法存在缺陷，为保证结构安全所采取的设计措施。要保证长周期结构的安全度有多种方法，令结构承担给定的最小地震剪力即为简单、可行的方法之一，无需人为去改变反应谱；以加大结构刚度来满足计算最小剪重比要求有违结构抗震设计的基本概念，实践上不但增加设计的困难，也造成结构工料的浪费。因此，以是否满足人为设定的、与结构体系的合理性无关的最小剪力系数来评判结构体系合理与否显然没有依据。目前，广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]（DBJ15-92-2013）已明确规定不以调整结构刚度来满足楼层剪重比要求，具有很强的参考意义。

3、结语

本文对《高规》实施应用过程中的几个问题进行了探讨，并结合笔者的实际经验对这些问题提出了处理方法，供同行参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准.《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）

[2]《全国民用建筑工程设计技术措施/地基与基础（2009年版）》.

[3]《建筑抗震设计规范统一培训教材》.

[4]广东省标准.《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ15-92-2013.