超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究

唐先勝

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院）

超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究

唐先勝

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院）

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念最早興起于美國(guó)，是建筑抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的一個(gè)重要方向，這一理念使得抗震設(shè)計(jì)由宏觀定性目標(biāo)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕亩嘀啬繕?biāo)，在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中也更加重視對(duì)性能目標(biāo)的分析與實(shí)施。相關(guān)工程研究人員表示，對(duì)于我國(guó)超限高層建筑結(jié)構(gòu)，采用基于性能抗震設(shè)計(jì)方法更為合適。基于此，本文從設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)重點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法這幾個(gè)方面就超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)展開深入研究。

超限高層建筑結(jié)構(gòu)；基于性能；抗震設(shè)計(jì)

0.引言

在城市化進(jìn)程不斷深入的影響下，我國(guó)建筑行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的超限高層建筑投入建設(shè)與使用當(dāng)中。由于人們的生命財(cái)產(chǎn)安全與建筑工程的安全性能密不可分，因而基于性能的設(shè)計(jì)方法在建筑工程行業(yè)得到了廣泛關(guān)注。在超限高層建筑的建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，可極大程度上提高建筑物抗震的可能性，在有效避免地震災(zāi)害的同時(shí)，促進(jìn)我國(guó)高層建筑的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1.超限高層建筑基于性能抗震設(shè)計(jì)的要求

為確保建筑的安全可靠性，我國(guó)針對(duì)超限高層建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)提出了以下幾點(diǎn)要求：其一，如果超限高層建筑的抗震墻體結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土組成，修建的建筑高度就不可以超出國(guó)家頒布并實(shí)施的《抗規(guī)》中的規(guī)定要求[1]。只有超限高層建筑結(jié)合應(yīng)用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與筒體結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)抗震的強(qiáng)度達(dá)到九級(jí)或以上，建筑才能達(dá)到《抗規(guī)》、《高規(guī)》等文件中規(guī)定的最高修建高度；在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，如果抗震設(shè)防烈度為 8度，那么超限高層建筑只能修建至規(guī)定高度的30%；如果抗震設(shè)防烈度僅為6至7度，那么只能修建至規(guī)定最高范圍的20%。其二，為確保超限高層建筑的抗震性能，就必須使建筑物自身高度、高寬比，以及體型規(guī)則性中的一項(xiàng)數(shù)值充分達(dá)到《抗規(guī)》、《高規(guī)》中規(guī)定的要求。其三，超限高層建筑在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取的措施需嚴(yán)于文件規(guī)定的要求。

2.超限高層建筑基于性能抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)

現(xiàn)階段，我國(guó)建筑工程一般利用兩個(gè)不同階段的規(guī)范來(lái)開展基于性能的抗震設(shè)計(jì)，從而確保超限高層建筑實(shí)現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的建設(shè)目標(biāo)。

2.1 三水準(zhǔn)目標(biāo)

三水準(zhǔn)目標(biāo)為超限高層建筑基于性能設(shè)計(jì)應(yīng)充分達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)[2]。其中，小震不壞是指在遇到級(jí)別不高的地震后，建筑房屋的各個(gè)部位未出現(xiàn)裂縫，也沒(méi)有受到任何損害，無(wú)需采取修復(fù)處理等措施，房屋便可繼續(xù)良好使用；中震可修指的是在遭受到具備一定破壞性質(zhì)的地震，也即實(shí)際震級(jí)與設(shè)防震級(jí)大致相當(dāng)時(shí)，建筑物盡管受到了一定程度的破壞，但采取相應(yīng)的修復(fù)處理措施后，依舊能夠正常使用；大震不倒則指的是在遭受強(qiáng)度非常大的地震時(shí)，建筑工程盡管受到破壞，但不會(huì)發(fā)生倒塌，導(dǎo)致大量人員傷亡的現(xiàn)象。

2.2 兩個(gè)不同階段的設(shè)計(jì)方法

在利用兩個(gè)不同階段的規(guī)范來(lái)開展超限高層建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，第一階段指的是發(fā)生小震時(shí)建筑彈性的計(jì)算，在計(jì)算范圍內(nèi)納入房屋荷載效應(yīng)及地震效應(yīng)，并以承載力抗震為依據(jù)對(duì)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)出構(gòu)件的截面，以便建筑物的承載力能達(dá)到小震時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)度；同時(shí)，嚴(yán)格控制小震時(shí)彈性層間出現(xiàn)的位移角。第二階段，以分析并計(jì)算出來(lái)的結(jié)果為依據(jù)，采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料與抗震措施，充分確保超限高層建筑結(jié)構(gòu)的變形、延性及能源消耗等方面的能力，以便發(fā)生中震時(shí)，建筑能有效滿足其形變要求。

3.超限高層建筑基于性能抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

3.1 確保建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性

工程人員在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，基于性能考慮，應(yīng)充分滿足建筑的實(shí)際需求，科學(xué)、合理規(guī)劃建筑工程平面以及相關(guān)功能，并以當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件及業(yè)主實(shí)際要求為依據(jù)來(lái)開展優(yōu)化工作，尤其對(duì)于超限高層建筑，必須充分確保建筑的扭轉(zhuǎn)剛度符合規(guī)定的可靠性要求，同時(shí)，盡最大努力避免因結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)而對(duì)建筑物的安全性及抗震性造成不良影響。尤其要注意的是，建筑結(jié)構(gòu)必須就具備高度的均勻性與對(duì)稱性，合理布置各個(gè)剪力墻，以免由于薄弱環(huán)節(jié)的存在，使得地震發(fā)生時(shí)導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)裂縫、損壞，甚至是倒塌的嚴(yán)重后果。由于超限高層建筑的樓層很高，一旦出現(xiàn)房屋倒塌現(xiàn)象，就會(huì)對(duì)人們生命及財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害，因此，工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)高度重視超限高層建筑在地震過(guò)程中出現(xiàn)的各種反映，并展開深入分析，避免在應(yīng)力出現(xiàn)巨大變化時(shí)，破壞到建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將地震應(yīng)力產(chǎn)生的不良影響降至最低。

3.2 對(duì)層間位移進(jìn)行嚴(yán)格控制

在開展超限高層建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，除了合理規(guī)劃建筑平面外，還應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)使用的材料、結(jié)構(gòu)體系、高寬比、側(cè)向荷載、位移控制等問(wèn)題展開全面考慮與分析[3]。其中，嚴(yán)格控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)位移尤為重要，工程人員通過(guò)以具體地理位置為依據(jù)開展抗震設(shè)計(jì)，可有效確保建筑的安全性及穩(wěn)定性，使其投入正常使用。

4.實(shí)施超限高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)的方法

針對(duì)超限高層建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)，我們通常從減少地震作用力的輸入以及加強(qiáng)建筑抗震能力兩方面著手，具體方法如下。

4.1 加強(qiáng)超限高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

考慮到建筑基礎(chǔ)為建筑質(zhì)量的根本保證，因而加強(qiáng)超限高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為抗震設(shè)計(jì)一項(xiàng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。工程人員在開展建筑設(shè)計(jì)工作時(shí)，針對(duì)同一結(jié)構(gòu)的單元，需選擇性質(zhì)與之相同的地基，并且盡量確保結(jié)構(gòu)形式相同。

4.2 充分減少地震作用力的輸入

在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)與位移結(jié)構(gòu)抗震法相結(jié)合，通過(guò)分析來(lái)制定出科學(xué)、具體的減震設(shè)計(jì)方案，確保超限高層建筑結(jié)構(gòu)的形變能力達(dá)到地震發(fā)生時(shí)的形變要求。工程人員除了要驗(yàn)算建筑結(jié)構(gòu)承載力，還需對(duì)大震發(fā)生時(shí)建筑層間的位移延性以及位移角的限值比進(jìn)行嚴(yán)格控制，明確構(gòu)件的構(gòu)造需求及其變形值等。

4.3 對(duì)建筑的剛度進(jìn)行嚴(yán)格控制

在結(jié)構(gòu)計(jì)算表格中，超限高層建筑的剛度通常表現(xiàn)出周期性的規(guī)律，進(jìn)而對(duì)主體結(jié)構(gòu)的位移變化產(chǎn)生影響。因此，建筑工程人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)有關(guān)剛度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到調(diào)整建筑物結(jié)構(gòu)剛度的目的。例如，通過(guò)對(duì)建筑截面的尺寸、混凝土強(qiáng)度、剪力墻結(jié)構(gòu)開洞大小、梁鋼度放大系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)現(xiàn)建筑剛度調(diào)整的基礎(chǔ)上，達(dá)到有效抗震的目的。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為人們居住、工作的重要場(chǎng)所，建筑住宅的工程質(zhì)量與人們的生命財(cái)產(chǎn)安全有著直接聯(lián)系。如果建筑結(jié)構(gòu)不具備強(qiáng)有力的抗震性能，那么一旦發(fā)生地震災(zāi)害，就極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡情況。在此種情況下，建筑工程人員紛紛對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)報(bào)以了高度重視，并展開大量研究，為我國(guó)的建筑事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供充分保障。

[1]季靜,黃超.基于性能的設(shè)計(jì)方法在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].世界地震工程,2013,23(01)：99-102.

[2]唐軍,杜培龍,張猛.基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在超限高層建筑中的應(yīng)用[J].河南科學(xué),2012,27(02)：214-216.

[3]李赫男.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究[J].黑龍江科技信息,2013,10(24)：188.

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1007-6344（2015）08-0109-01