論高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題

劉碩

（昆明理工大學(xué)城市學(xué)院土木工程系，云南 昆明 650000）

1 我國(guó)的高層建筑發(fā)展歷程

上世紀(jì)80年代，我國(guó)高層建筑在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)施工技術(shù)等領(lǐng)域快速發(fā)展，100m左右及以上的將建筑快速發(fā)展，多以鋼筋為主要材料，在層數(shù)與高度增加的同時(shí)，功能與類型也日益增多。各大城市幾乎都建立了具有各自特色的建筑，以上海錦江飯店為代表：高度達(dá)到153.52m，全部采用的鋼結(jié)構(gòu)體系；而深圳的發(fā)展中心大廈有43層，高度達(dá)到165.3m，算上天線高度達(dá)到185.3m，是我國(guó)第一幢大型的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。到了90年代，我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)到施工進(jìn)入到一個(gè)新的階段，除了體系與材料的多樣化，高度上也有了質(zhì)的飛躍。在1995年完工的深圳地王大廈，共有81層，高度達(dá)到385.95m，居世界第四高。

2 建筑抗震的理論

2.1 建筑結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)范

一般的抗震規(guī)范都是各國(guó)結(jié)合具體的情況進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是指導(dǎo)抗震設(shè)計(jì)的法定文件，及反應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的發(fā)展水平，也反映了各個(gè)國(guó)家的抗震經(jīng)驗(yàn)。盡管抗震理論不斷完善，技術(shù)水平也在不斷地提高，但是必須要有實(shí)踐的指導(dǎo)，要將建筑工程的安全性放在首要位置，容不得任何的大意與疏忽。基于這一認(rèn)識(shí)，現(xiàn)代建筑部分條文被列為強(qiáng)制條文，使用了“嚴(yán)禁、不得”等絕對(duì)性的字眼，同時(shí)也有不同條文有較大的自由空間。

2.2 建筑抗震設(shè)計(jì)的理論

當(dāng)前建筑抗震設(shè)計(jì)的理論主要分為擬靜力理論、反應(yīng)譜理論及動(dòng)力理論。擬靜力理論起源于20世紀(jì)10～40年代出現(xiàn)的理論，在估測(cè)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，假設(shè)結(jié)構(gòu)為剛性，地震水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心，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)）。

反應(yīng)譜理論是在上世紀(jì)40-60年代發(fā)展起來的，以強(qiáng)地震動(dòng)加速度觀測(cè)記錄的增多與對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)特性的進(jìn)一步了解，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)院的學(xué)者對(duì)地震加速度記錄的特性進(jìn)行分析后獲得的成果。

動(dòng)力理論是上世紀(jì)70-80年代的應(yīng)用較為廣泛的地震動(dòng)力理論，是在60年代以來電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，人們對(duì)各類結(jié)構(gòu)在地震作用下的線性與非線性的反應(yīng)過程也有了較多的了解，隨著強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)的增加，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也在不斷地增加。進(jìn)一步動(dòng)力理論也稱地震時(shí)程分析理論，它將地震作為一個(gè)時(shí)間過程，選擇具有代表性的地震加速度時(shí)過程作為地震動(dòng)輸入，建筑物簡(jiǎn)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)，完成設(shè)計(jì)工作。

3 高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 必要的抗震對(duì)策

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中國(guó)，出了要考慮到概念的設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)合地震的情況，要在高度允許的范圍內(nèi)建造，增加結(jié)構(gòu)的延性。在當(dāng)前的抗震設(shè)計(jì)中，抗震驗(yàn)算及構(gòu)造與措施等角度入手進(jìn)行分析，提高結(jié)構(gòu)的抗震性與消震性能。建立地震力與結(jié)構(gòu)延性互相影響的雙重設(shè)計(jì)指標(biāo)，直到達(dá)到預(yù)期的抗震效果。當(dāng)前強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件在提高結(jié)構(gòu)延性方面的作用已得到普遍的認(rèn)可。

3.2 高層建筑的抗震設(shè)計(jì)思想

在《建筑抗震規(guī)范》中有明文規(guī)定，建筑的抗震設(shè)防要符合“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求。所謂的“三水準(zhǔn)”就是指“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當(dāng)遇到第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段，建筑物可以正常使用。一般情況下，建筑物不會(huì)被損害，也不需要修理即可使用。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要滿足地震頻發(fā)下的承載力極限，要求建筑的彈性變形不超過規(guī)定的彈性變形限值。當(dāng)遇到第二設(shè)防烈度地震即相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時(shí)，結(jié)構(gòu)屈服進(jìn)入非彈性變形階段，建筑物結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生損害，但是不經(jīng)修理或者簡(jiǎn)單修理就可以繼續(xù)使用。所以，建筑結(jié)構(gòu)必須要有足夠的延性能力，不會(huì)出現(xiàn)脆性破壞。當(dāng)發(fā)生第三設(shè)防烈度地震的情況下，就是遇到本地區(qū)地震極限外的情況，結(jié)構(gòu)會(huì)受到非常嚴(yán)重的損害，但是結(jié)構(gòu)的非彈性變形距離倒塌仍有一段距離，不致產(chǎn)生危及生命的損害，保障了居住人員的安全。所以在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要保證建筑的足夠變形能力，其彈塑變形要在規(guī)范的數(shù)值之內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。三個(gè)水準(zhǔn)烈度的地震作用水平是根據(jù)不同超越概率進(jìn)行區(qū)分的，一般情況下是：

多遇地震：50年超越概率63.2%，重現(xiàn)期50年；設(shè)防烈度地震(基本地震)：50年超越概率10%，重現(xiàn)期475年；罕遇地震:50年超越概率2%-3%，重現(xiàn)期1641-2475年，平均約為2000年。

從高層建筑的抗震水準(zhǔn)來看，設(shè)防的要求是通過“兩個(gè)階段”設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，具體方法如下：第一環(huán)節(jié)，第一步采用與第一水準(zhǔn)烈度相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，提前計(jì)算出高層建筑結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風(fēng)力、重力荷載進(jìn)行高效組合。同時(shí)引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進(jìn)行構(gòu)件截面的準(zhǔn)確射擊，進(jìn)而達(dá)到第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求；然后是運(yùn)用同一地震參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的層間位移角，使其可以在抗震規(guī)范設(shè)定的限值之內(nèi)；同時(shí)采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造對(duì)策，確保結(jié)構(gòu)可以有足夠的延性、變形能力與塑形耗能，進(jìn)而達(dá)到第二水準(zhǔn)的變形目的。而第二階段則是運(yùn)用與第三水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，算出結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角，使其在抗震規(guī)范的限值之內(nèi)，然后進(jìn)行必要的抗震構(gòu)造對(duì)策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的防倒塌目的。

3.3 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法

在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)各類的建筑結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算應(yīng)該采用的方法都有明確的規(guī)定：高度要在40m之內(nèi)，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法等簡(jiǎn)化方法；除1款外的建筑結(jié)構(gòu)，宜采用振型分解反應(yīng)譜方法；特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，可取多條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。

結(jié)語

地震是威脅較大的天災(zāi)之一，必須要加強(qiáng)防御，從上文的分析中我們可以看到，高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要在要求的限值之內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)的良好性能，提高建筑的使用性能。

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