分析高層建筑抗震設(shè)計(jì)及發(fā)展前景

孫先春

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉 第六設(shè)計(jì)院有限公司安徽分院，安徽 合肥230000)

0 引言

隨著人們對(duì)于震害經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及抗震理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入， 人們對(duì)建筑物在地震作用下的反應(yīng)有了更深層次的認(rèn)識(shí)。建筑結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展經(jīng)歷了抗震靜力理論、反應(yīng)譜理論、動(dòng)力理論和減震控制理論四個(gè)階段。 在目前的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，多采用二級(jí)或三級(jí)設(shè)計(jì)思想，即以“小震不壞，中震可修，大震不倒”作為設(shè)防準(zhǔn)則，建筑設(shè)計(jì)者用承載力來控制和調(diào)節(jié)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，只要滿足地震時(shí)承載力的要求便可確保建筑結(jié)構(gòu)的安全。 然而震害、試驗(yàn)和理論分析都表明∶變形能力不足和耗能能力不足是建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下倒塌的主要原因。 如何完善已有抗震設(shè)計(jì)的理念，使結(jié)構(gòu)在未來地震中的性能達(dá)到預(yù)計(jì)的目標(biāo)是亟需解決的問題。

1 有關(guān)抗震設(shè)計(jì)的若干概念

為了保證結(jié)構(gòu)的抗震安全，根據(jù)具體情況，結(jié)構(gòu)單元之間應(yīng)遵守牢固連接或有效分離的方法。高層建筑的結(jié)構(gòu)單元宜采取加強(qiáng)連接的方法。盡可能設(shè)置多道抗震防線，強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，在首次破壞后在遭受余震，結(jié)構(gòu)將會(huì)因損傷積累而導(dǎo)致倒塌。 適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，使其在強(qiáng)震作用下形成多道防線，并考慮某一防線被突破后，引起內(nèi)力重分布的影響，是提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震倒塌的有效措施。合理布置抗側(cè)力構(gòu)件，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。 結(jié)構(gòu)剛度、承載力沿房屋高度宜均勻、連續(xù)分布、避免造成結(jié)構(gòu)的軟弱或薄弱部位。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性及耗能等方面的性能。 主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)?shù)膭偠龋惺茇Q向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。 合理控制結(jié)構(gòu)的非彈性(塑性鉸區(qū))，掌握結(jié)構(gòu)的屈服過程，實(shí)現(xiàn)合理的屈服機(jī)制。 框架抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵守“強(qiáng)柱、弱梁、結(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的原則，當(dāng)構(gòu)件屈服、剛度退化時(shí)，結(jié)點(diǎn)應(yīng)能保持承載力和剛度不變。 采取有效措施，防止鋼筋滑移、混凝土過早的剪切破壞和壓碎等脆性破壞。 考慮上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或地下室結(jié)構(gòu)之上時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或地下室機(jī)構(gòu)應(yīng)保持彈性工作。 高層建筑的地基主要受力范圍內(nèi)存在較厚的軟弱黏性土層時(shí)，不宜采用天然地基。 采用天然地基的高層建筑應(yīng)考慮地震作用下地基變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

為了充分發(fā)揮各構(gòu)件的抗震能力，確保結(jié)構(gòu)的整體性，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)遵循以下原則∶（1）結(jié)構(gòu)應(yīng)具有連續(xù)性。結(jié)構(gòu)的連續(xù)性是使結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)能夠保持整體的重要手段之一；（2）保證構(gòu)件間的可靠連接。提高建筑物的抗震性能，保證各個(gè)構(gòu)件充分發(fā)揮承載力，關(guān)鍵的是加強(qiáng)構(gòu)件間的連接，使之能滿足傳遞地震力時(shí)的強(qiáng)度要求和適應(yīng)地震時(shí)大變形的延性要求；（3）增強(qiáng)房屋的豎向剛度。 在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿縱、橫2 個(gè)方向具有足夠的整體豎向剛度，并使房屋基礎(chǔ)具有較強(qiáng)的整體性，以抵抗地震時(shí)可能發(fā)生的地基不均勻沉降及地面裂隙穿過房屋時(shí)所造成的危害。

2 高層建筑抗震設(shè)計(jì)的方法

對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要從減小地震作用力的輸入和增強(qiáng)地震抵抗力兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。 下面將從五個(gè)方面進(jìn)行分析∶盡可能減小地震作用能量的輸入，運(yùn)用高延性設(shè)計(jì)、推廣消震和隔震措施的運(yùn)用，注重抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)重視建筑材料的選擇，增多抗震防線的建設(shè)。 將減小地震作用力和增強(qiáng)建筑的地震抵抗力二者結(jié)合起來，從兩方面入手，進(jìn)行建筑抗震的設(shè)計(jì)施工。

2.1 減少地震發(fā)生時(shí)能量的輸入

在具體的設(shè)計(jì)中，積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對(duì)具體的方案進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形彈性滿足預(yù)期地震作用力下的變形需求。對(duì)建筑構(gòu)件的承載力進(jìn)行驗(yàn)收的同時(shí)還要控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移限值；并且更具建筑構(gòu)件的變形和建筑結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值∶根據(jù)建筑界面的應(yīng)變分布以及大小，來確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。 對(duì)于高層建筑來講，在堅(jiān)固的場(chǎng)地上進(jìn)行建筑施工，可以有效減少地震發(fā)生作用時(shí)能量的輸入，從而減弱地震對(duì)高層建筑的破壞程度。

2.2 運(yùn)用高延性設(shè)計(jì)、推廣消震和隔震措施的運(yùn)用

現(xiàn)在在我國(guó)，許多高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多采用延性結(jié)構(gòu)，也就是適當(dāng)?shù)目罩ㄖY(jié)構(gòu)的剛度，允許地震時(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)入到具有很大延性的塑性狀態(tài)，從而消耗地震作用時(shí)的能量，使地震反應(yīng)減小，減弱地震給高層建筑帶來的破壞和重大損失。如果某高層建筑的承載能力較小，但是具有較高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因?yàn)檠有詷?gòu)件可以吸收較多的能量，經(jīng)受住很大的結(jié)構(gòu)變形。 延性結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，在很多情況下是有效的，它可以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。進(jìn)入20 世紀(jì)以來，人們對(duì)建筑物抗振動(dòng)能力的提高做出了巨大的努力，取得了顯著的成果，其中阻尼器的使用在高層建筑的抗震方面有很大的作用。 通過對(duì)阻尼器的利用，進(jìn)行減震和能量的吸收，可以巧妙的避免或減弱地震對(duì)高層建筑的破壞作用。

2.3 注重抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該得到人們的重視。 我國(guó)150m 以上的建筑，采用的3 種主要結(jié)構(gòu)體系(框—筒、筒中筒和框架—支撐體系)，都是其他國(guó)家高層建筑采用的主要體系。 我國(guó)鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地亢建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土(柱)結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。我國(guó)傳統(tǒng)文化中“以柔克剛”具有價(jià)高的思想價(jià)值，可以指導(dǎo)很多實(shí)際問題。 在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中， 可以從傳統(tǒng)的硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)嵯酀?jì)，有效地減弱地震作用過程中釋放的沖擊力。 比如，在高層建筑的拱形結(jié)構(gòu)中有這樣一個(gè)例子∶迪拜帆船酒店，如同一張鼓滿了風(fēng)的帆，共有56 層、321m 高，就是運(yùn)用拱結(jié)構(gòu)抗震減災(zāi)的很好例子。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)前景展望

今后若干年，中國(guó)仍將是世界上修建高層建筑最多的國(guó)家，這將會(huì)給高層建筑抗震設(shè)防帶來新的難題。 21 世紀(jì)，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震將有如下變化∶（1）高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)體系將從以硬性為主向柔性為主的結(jié)構(gòu)抗震轉(zhuǎn)變，通過“以柔克剛”方式，調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隔震、減震和消震來實(shí)現(xiàn)抗震目的。 （2）建筑材料對(duì)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九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。（3）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。另外，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算方法也有了新的轉(zhuǎn)變∶從線性分析向非線性分析轉(zhuǎn)變，從確定性分析向非確定性分析轉(zhuǎn)變，從振型分解反應(yīng)分析向時(shí)程分析法轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)樯婕暗饺祟惿?cái)產(chǎn)安全的重要問題，建筑物的抗震問題是目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界討論比較多的話題之一。 因此，我們?cè)趯?duì)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候， 必須把建筑物的抗震問題放到非常重要的位置，并采取適當(dāng)?shù)拇胧M量避免地震對(duì)建筑物的損壞，為保障人民的生命及財(cái)產(chǎn)作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

［1］GB 5001l-2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［2］JGJ 3-2002 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].