高層建筑結構中抗震優化設計

傅愛華　孫旺

摘要：如何實現高層建筑的良好抗震性能是一項至關重要的問題。本文對如何實現城市高層建筑的最優抗震結構設計提出了自己的建議，并且以上海金融中心為例進行分析。

關鍵詞：抗震優化；高層建筑結構設計

中圖分類號：TU352.1 1 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2017）06—0085—02

引言

在高層建筑的施工過程中，如何實現其良好的抗震性能是一項至關重要的部分，同時也是每一位結構工程師所關注的問題。地震的產生會對人民的生命財產安全產生巨大的威脅，因此，實現高層建筑的抗震結構優化設計具有十分重要的意義。

1如何進行最優的城市高層結構的抗震設計

1.1合理選擇結構體系。抗震結構體系通常都是由若干個延性比較好的分體系共同組成的，并且使每一個延性比較好的構件連接在一起進行協同工作。比如框架一剪力墻結構，就是由多肢或者雙肢剪力墻體系、剪力墻以及延性框架組成。

1.2減小在地震過程中能量的輸入并且裝置消除能量的減震構件。在發生強烈的地震之后，一般都會伴隨有多次的余震發生。如果只設置一道防線，那么在受到第一次的破壞之后，如果再遭受到余震的破壞，那么就會因為損傷的積累而發生倒塌。在抗震結構體系的建設過程中，應該設置最大可能數量的外部和內部的冗余度，并且專門建立屈服區。確保主要耗能部件的剛度以及延性能夠滿足抗震的需要，使其能夠將地震所產生的能量耗散并且吸收掉，使得結構的抗震能力得到提升，防止在發生大地震時發生倒塌現象。

1.3對地震的扭轉效應進行控制，限制層間位移。要使得建筑的剛度以及質量的變化盡量做到均勻。如果建筑的質量以及剛度分布的不對稱，那么就極易在發生水平地震時產生扭轉震動。因此，在設計的時候應該嚴格的控制其質量以及剛度的分布，實施必要的構造措施。

2實例剖析

地處浦東陸家嘴的上海環球金融中心，建筑為地下3層，地上101層，其主樓的建筑面積是252935平方米，裙房的面積是33370平方米，地下室的面積是63751平方米；是一座集多種功能于一身，智能先進的摩天大廈。建成后的高度為492米，對其的設計建造屬于一個復雜的系統工程，特別是在結構設計方面。通過有效的結構體系的設計以及對模型設計的完善，增加了結構的抗震能力。

2.1龐大的基礎。上海金融中心以樁筏為基礎形式，在塔樓基礎中使用了4.5米厚的底板，對將近240根樁的樁頂施加臨時的鋼柱。在對地下室進行逆作法施工的過程中會用到這些鋼柱，在這些鋼柱中有一些被包上混凝土作為永久柱。使用厚度在1米左右的地下連續墻作為地下室的外墻。原有設計的樁基施工在1997年到1998年之間已經完成了，新設計的大樓單位總質量跟原方案相似。因此，新大樓可以在現有的樁基上進行建設，因為現有樁基的制約，因此就需要在新的結構方案中使用由翼墻、交叉剪力墻以及周邊剪力墻組成的傳力體系，達到將由核心筒剪力墻所承受的荷載向主樓的四角傳遞的目的。

2.2巨型結構體系。巨型結構體系是由處于建筑物的各個角落中的巨型柱以及對巨型柱進行連接的巨型支撐所構成。其對于建筑物的重力荷載具有十分重要的承擔作用。巨型柱屬于鋼骨混凝土的組合結構，在鋼骨的截面處會使用焊接組合截面或者是熱軋型鋼。在建筑物的每一個角落中都會有巨型柱分布，他們能夠對地震所產生的側向荷載起到抵抗的作用。在巨型柱中埋置的鋼結構，能夠對巨型支撐所傳來的荷載起到很好的承受作用，之后再將這些荷載向巨型柱中的鋼筋混凝土部位擴散。這些巨型柱也能夠承受帶狀桁架所傳遞過來的反力。同時，巨型柱還能夠承擔至少十層的帶狀桁架、組合樓面及鋼結構的自重荷載。鋼管混凝土是巨型斜撐的主要結構，由兩塊水平的連接腹板以及兩塊大型的豎向的翼緣板來組成箱形截面。在節點處的所有的設計荷載都將由翼緣板來承受，所以可以將所有需要連接到斜撐的構件連接到翼緣板上，這樣連接節點的設計得到了簡化。與此同時，箱形鋼管混凝土增加了結構的阻尼以及剛度，因此減少了澆筑時模板的使用，并且對于薄鋼板的彎曲也能夠進行有效的預防。巨型斜撐不但能夠抵御側向的荷載，還能夠承受由周圍的柱子所傳遞過來的重力荷載。

2.3優化的抗震設計。在對環球中心進行結構設計的過程中，以中國規范以及部分的美國規范作為依據，以鋼筋混凝土混合結構作為其結構主體，主要具有如下特點：使用三重結構體系來對抗水平荷載，該三重結構體系為帶狀桁架、巨型斜撐以及巨型柱組成的三維框架結構、伸臂鋼桁架和核心筒結構。沿著結構高度的方向，核心筒不連續，并且在77到78層以及56到68層進行了核心筒的二次轉換，在連接部位具有非常復雜的構造。在沿著結構高度的方向上設置的三道伸臂桁架都沒有在核心筒當中貫通。在1到5層沿著建筑的四周設置了周邊剪力墻，在第6層將周邊剪力墻改為巨型柱。在結構高度上每12層就會設置一道一層高的帶狀桁架。在三維巨型框架當中，使用了單向斜撐。

根據我國的有關規定，當建筑物的總高度大于鋼筋混凝土的簡體結構的最大高度160米以及其最大的190米的限值的時候，這個結構在遇到7度中震地震的時候基本不會改變其結構的自振頻率，基本上處于彈性階段。當遇到8度大震的時候，就會發生局部的混凝土壓碎或者是開裂的現象，但基本上還能夠維持結構不倒塌。通過綜合的研究表明，該結構能夠滿足大震不倒、中震可修、小震不壞的抗震需求。所以，上海的環球金融中心具有很強的抵抗地震的能力。

3總結

改變傳統的設計理念，實現以變形和材料為主的設計思想轉變。通過長期的不斷的總結經驗，不斷完善對于高層建筑的抗震能力的提升。