分析高層建筑抗震設計及發展前景

孫先春

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉 第六設計院有限公司安徽分院，安徽 合肥230000)

0 引言

隨著人們對于震害經驗的不斷積累以及抗震理論和實驗研究的不斷深入， 人們對建筑物在地震作用下的反應有了更深層次的認識。建筑結構抗震理論的發展經歷了抗震靜力理論、反應譜理論、動力理論和減震控制理論四個階段。 在目前的結構抗震設計中，多采用二級或三級設計思想，即以“小震不壞，中震可修，大震不倒”作為設防準則，建筑設計者用承載力來控制和調節建筑結構的抗震性能，只要滿足地震時承載力的要求便可確保建筑結構的安全。 然而震害、試驗和理論分析都表明∶變形能力不足和耗能能力不足是建筑結構在大震作用下倒塌的主要原因。 如何完善已有抗震設計的理念，使結構在未來地震中的性能達到預計的目標是亟需解決的問題。

1 有關抗震設計的若干概念

為了保證結構的抗震安全，根據具體情況，結構單元之間應遵守牢固連接或有效分離的方法。高層建筑的結構單元宜采取加強連接的方法。盡可能設置多道抗震防線，強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，結構將會因損傷積累而導致倒塌。 適當處理結構構件的強弱關系，使其在強震作用下形成多道防線，并考慮某一防線被突破后，引起內力重分布的影響，是提高結構抗震性能，避免大震倒塌的有效措施。合理布置抗側力構件，減少地震作用下的扭轉效應。 結構剛度、承載力沿房屋高度宜均勻、連續分布、避免造成結構的軟弱或薄弱部位。

結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性及耗能等方面的性能。 主要耗能構件應有較高的延性和適當的剛度，承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。 合理控制結構的非彈性(塑性鉸區)，掌握結構的屈服過程，實現合理的屈服機制。 框架抗震設計應遵守“強柱、弱梁、結點更強”的原則，當構件屈服、剛度退化時，結點應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。 考慮上部結構嵌固于基礎結構或地下室結構之上時，基礎結構或地下室機構應保持彈性工作。 高層建筑的地基主要受力范圍內存在較厚的軟弱黏性土層時，不宜采用天然地基。 采用天然地基的高層建筑應考慮地震作用下地基變形對上部結構的影響。

為了充分發揮各構件的抗震能力，確保結構的整體性，在設計的過程中應遵循以下原則∶（1）結構應具有連續性。結構的連續性是使結構在地震作用時能夠保持整體的重要手段之一；（2）保證構件間的可靠連接。提高建筑物的抗震性能，保證各個構件充分發揮承載力，關鍵的是加強構件間的連接，使之能滿足傳遞地震力時的強度要求和適應地震時大變形的延性要求；（3）增強房屋的豎向剛度。 在設計時，應使結構沿縱、橫2 個方向具有足夠的整體豎向剛度，并使房屋基礎具有較強的整體性，以抵抗地震時可能發生的地基不均勻沉降及地面裂隙穿過房屋時所造成的危害。

2 高層建筑抗震設計的方法

對高層建筑結構的抗震設計時，要從減小地震作用力的輸入和增強地震抵抗力兩個方面進行考慮。 下面將從五個方面進行分析∶盡可能減小地震作用能量的輸入，運用高延性設計、推廣消震和隔震措施的運用，注重抗震結構的設重視建筑材料的選擇，增多抗震防線的建設。 將減小地震作用力和增強建筑的地震抵抗力二者結合起來，從兩方面入手，進行建筑抗震的設計施工。

2.1 減少地震發生時能量的輸入

在具體的設計中，積極采用基于位移的結構抗震方法，對具體的方案進行定量分析，使結構的變形彈性滿足預期地震作用力下的變形需求。對建筑構件的承載力進行驗收的同時還要控制建筑結構在地震作用下的層間位移限值；并且更具建筑構件的變形和建筑結構的位移之間的關系，確定構件的變形值∶根據建筑界面的應變分布以及大小，來確定建筑構件的構造需求。 對于高層建筑來講，在堅固的場地上進行建筑施工，可以有效減少地震發生作用時能量的輸入，從而減弱地震對高層建筑的破壞程度。

2.2 運用高延性設計、推廣消震和隔震措施的運用

現在在我國，許多高層建筑進行抗震設計時，多采用延性結構，也就是適當的空著建筑結構的剛度，允許地震時結構的構件進入到具有很大延性的塑性狀態，從而消耗地震作用時的能量，使地震反應減小，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，因為延性構件可以吸收較多的能量，經受住很大的結構變形。 延性結構的運用，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，使結構物“裂而不倒”。進入20 世紀以來，人們對建筑物抗振動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。 通過對阻尼器的利用，進行減震和能量的吸收，可以巧妙的避免或減弱地震對高層建筑的破壞作用。

2.3 注重抗震結構的設計

高層建筑抗震設計的結構應該得到人們的重視。 我國150m 以上的建筑，采用的3 種主要結構體系(框—筒、筒中筒和框架—支撐體系)，都是其他國家高層建筑采用的主要體系。 我國鋼材生產數量已較大，鋼結構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構、鋼管混凝土(柱)結構或鋼結構，以減小柱斷面尺并改善結構的抗震性能。我國傳統文化中“以柔克剛”具有價高的思想價值，可以指導很多實際問題。 在高層建筑結構的抗震設計中， 可以從傳統的硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉變，實現以柔克剛、剛柔相濟，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構中有這樣一個例子∶迪拜帆船酒店，如同一張鼓滿了風的帆，共有56 層、321m 高，就是運用拱結構抗震減災的很好例子。

3 高層建筑結構抗震設計前景展望

今后若干年，中國仍將是世界上修建高層建筑最多的國家，這將會給高層建筑抗震設防帶來新的難題。 21 世紀，高層建筑結構抗震將有如下變化∶（1）高層建筑的抗震結構體系將從以硬性為主向柔性為主的結構抗震轉變，通過“以柔克剛”方式，調整建筑結構構件的隔震、減震和消震來實現抗震目的。 （2）建筑材料對結構抗震的影響越來越得到重視。建筑材料的各個抗震指標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高層建筑結構抗震技術的發展。通過優化的抗震方法設計，來實現高層建筑的抗震要求。（3）計算機模擬抗震試驗得到廣泛應用。 將制作好的模型或結構構件放在模擬地震振動臺上，臺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。 計算機模擬環境可以擬真抗震效果，幫助科學改進各因素，有效抗震。另外，高層建筑結構的抗震設計的計算方法也有了新的轉變∶從線性分析向非線性分析轉變，從確定性分析向非確定性分析轉變，從振型分解反應分析向時程分析法轉變。

4 結束語

因為涉及到人類生命財產安全的重要問題，建筑物的抗震問題是目前建筑結構設計界討論比較多的話題之一。 因此，我們在對建筑物進行結構設計的時候， 必須把建筑物的抗震問題放到非常重要的位置，并采取適當的措施，盡量避免地震對建筑物的損壞，為保障人民的生命及財產作出應有貢獻。

［1］GB 5001l-2001 建筑抗震設計規范[S].

［2］JGJ 3-2002 高層建筑混凝土結構技術規程[S].