淺談高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

和佳一

（遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽 110006）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的增長和高層建筑的增多，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)已變得越來越重要。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切任務(wù)，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震仍然是建筑物安全考慮的重要問題。

1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題

1.1 抗震設(shè)防烈度低

現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度已不能適應(yīng)國情的需要，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度水平應(yīng)該大幅度提高。我國現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是比較低的，中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為10%的地震烈度，較低的抗震設(shè)防烈度放松了高層建筑的抗震要求。

1.2 地基的選取不合理

高層建筑應(yīng)選擇位于開闊平坦地帶的堅(jiān)硬土場地或密實(shí)均勻中硬土場地，遠(yuǎn)離河岸，不應(yīng)垮在兩類土壤上，避開不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險(xiǎn)地段建造房屋。高層建筑的地基選取不恰當(dāng)可能導(dǎo)致抗震能力差。

1.3 部分建筑物高度過高

按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)規(guī)定，在一定設(shè)防烈度和一定結(jié)構(gòu)型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個(gè)適宜的高度。在這個(gè)高度，抗震能力還是比較穩(wěn)妥的，但是目前不少高層建筑超過了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化，建筑物的抗震能力會(huì)下降，很多影響因素也發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程預(yù)算的相應(yīng)參數(shù)需要重新選取。

1.4 材料的選用不科學(xué)

結(jié)構(gòu)體系不合理。由于我國建筑結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，而且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。

2 建筑抗震的理論分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范

建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范實(shí)際上是各國建筑抗震經(jīng)驗(yàn)帶有權(quán)威性的總結(jié)，是指導(dǎo)建筑抗震設(shè)計(jì)(包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算，結(jié)構(gòu)抗震措施以及地基抗震分析等主要內(nèi)容)的法定性文件它既反映了各個(gè)國家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的時(shí)代水平，又反映了各個(gè)國家的具體抗震實(shí)踐。

2.2 抗震設(shè)計(jì)的理論

2.2.1 擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀(jì)10～40年代發(fā)展起來的一種理論，它在估計(jì)地震對結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，僅假定結(jié)構(gòu)為剛性，地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心上，地震力的大小當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個(gè)比例常數(shù)(地震系數(shù))。

2.2.2 反應(yīng)譜理論

反應(yīng)譜理論是在加世紀(jì)40～60年代發(fā)展起來的，它以強(qiáng)地震動(dòng)加速度觀測記錄的增多和對地震地面運(yùn)動(dòng)特性的進(jìn)一步了解，以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性的研究為基礎(chǔ)，是加理工學(xué)院的一些研究學(xué)者對地震動(dòng)加速度記錄的特性進(jìn)行分析后取得的一個(gè)重要成果。

2.2.3 動(dòng)力理論

動(dòng)力理論是20世紀(jì)70－80年廣為應(yīng)用的地震動(dòng)力理論。它的發(fā)展除了基于60年代以來電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展外，人們對各類結(jié)構(gòu)在地震作用下的線性與非線性反應(yīng)過程有了較多的了解，同時(shí)隨著強(qiáng)震觀測臺(tái)站的不斷增多，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也不斷增多。進(jìn)一步動(dòng)力理論也稱地震時(shí)程分析理論，它把地震作為一個(gè)時(shí)間過程，選擇有代表性的地震動(dòng)加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入，建筑物簡化為多自由度體系，計(jì)算得到每一時(shí)刻建筑物的地震反應(yīng)，從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本方法

3.1 推廣使用隔震和消能減震設(shè)計(jì)。目前我國和世界各國普遍采用的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是“延性結(jié)構(gòu)體系”，即適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動(dòng)隔震、懸吊隔震等措施，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，減少地震能量輸入，減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，是一種很有前途的防震措施。提高結(jié)構(gòu)阻尼，采用高延性構(gòu)件，能夠提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減輕地震作用，減小樓層地震剪力。

3.2 減少地震能量輸入

積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，要求進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形能力滿足在預(yù)期的地震作用下的變形要求。除了驗(yàn)算構(gòu)件的承載力外，要控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比；根據(jù)構(gòu)件變形與結(jié)構(gòu)位移關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；并根據(jù)截面達(dá)到的應(yīng)變大小及應(yīng)變分布，確定構(gòu)件的構(gòu)造要求。對于高層建筑，選擇堅(jiān)硬的場地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯(cuò)開地震動(dòng)卓越周期，可防止共振破壞。

3.3 在高層建筑的方案設(shè)計(jì)階段

結(jié)構(gòu)材料選用也很重要。可以對材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度進(jìn)行分析，改變過去對結(jié)構(gòu)抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數(shù)的變異性，地震烈度的隨機(jī)性及烈度等級界限的隨機(jī)性與模糊性對結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。

3.4 高層建筑減輕結(jié)構(gòu)自重

從地基承載力來看，如果是同樣的地基條件，減輕結(jié)構(gòu)自重意味著在不增加基礎(chǔ)或地基處理造價(jià)的情況下，可以多建層數(shù)，特別是對于軟土更為明顯。地震效應(yīng)與建筑質(zhì)量成正比，結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加必然引起地震力的增大。高層建筑由于高度較大，重心較高，地震作用傾覆力矩也隨質(zhì)量的增加而增大。設(shè)計(jì)時(shí)要求高層建筑物的填充墻及隔墻應(yīng)采用輕質(zhì)材料。

3.5 高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置多道抗震防線。建筑物應(yīng)設(shè)置多道抗震防線，當(dāng)?shù)谝坏婪谰€的構(gòu)件在強(qiáng)烈地震作用下遭到破壞后，后備的第二道乃至第三道防線能抵擋后續(xù)的地震動(dòng)的沖擊，使建筑物免于倒塌。高層結(jié)構(gòu)形式應(yīng)采用具有及壁式框架的框架剪力墻，剪力墻框架簡體，筒中筒等多道抗震防線結(jié)構(gòu)體系。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的展望

建筑材料對結(jié)構(gòu)抗震的影響越來越得到重視。建筑材料的各個(gè)抗震指標(biāo)的提升可以提高高層建筑的抗震能力，研制新的建筑材料可推動(dòng)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)的發(fā)展。通過優(yōu)化的抗震方法設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)高層建筑的抗震要求。按照結(jié)構(gòu)綜合抗震能力的要求采取抗震措施時(shí)，對同一建筑結(jié)構(gòu)不同的樓層和不同部位的構(gòu)件，構(gòu)造措施的基本要求不同。當(dāng)同一建筑結(jié)構(gòu)不同部位的性能要求有明顯差異時(shí)，也可有響應(yīng)不同的基本要求。設(shè)計(jì)人員在掌握整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震措施的基本原則要求和構(gòu)造基本抗震措施的基礎(chǔ)上，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過優(yōu)化方法設(shè)計(jì)出滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)減震體系采用的是以“柔”克“剛”的新概念，它通過調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、隔震、減能或控制來達(dá)到抗震的目的。計(jì)算機(jī)模擬抗震試驗(yàn)得到廣泛應(yīng)用。將制作好的模型或結(jié)構(gòu)構(gòu)件放在模擬地震振動(dòng)臺(tái)上，臺(tái)面輸入某一確定性的地震記錄，能夠較好地反映該次確定性地震作用的效果。計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境可以擬真抗震效果，幫助科學(xué)改進(jìn)各因素，有效抗震。

5 結(jié)束語

隨著新型結(jié)構(gòu)原理的進(jìn)步，高性能材料的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提高，促使人類建筑再上一個(gè)新的臺(tái)階。新型結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，分析難度大，全面細(xì)致的考慮結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件和每個(gè)組成部分，成為今后新型結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和考慮的重點(diǎn)。

[1]許福海.建筑結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展及前景展望[J].新疆職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2004.

[2]建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì).中國建筑工業(yè)出版社.2009.