關于高層建筑結構抗震超限設計的探討

杜智剛

（廣東省電信規劃設計院有限公司）

1 引言

隨著科學技術的快速發展，現代城市建設規模不斷擴大，我國城市現代化水平逐漸與國際標準接軌。但也正是由于這個因素的存在，如果震源在城市，那么它就會造成極其嚴重的傷亡和財產損失。當建筑物在地震后劇烈搖晃時，建筑物會直接倒塌，造成大量人員傷亡。因此，建筑工程的抗震設計是非常重要的，必須對建筑工程的抗震設計進行深入的研究與探索，特別是在設計超高層建筑的過程中。

2 我國地震災害現狀和超限高層建筑發展概況

由于我國的生產力限制，直到20世紀60年代，中國摩天大樓的生產率遠低于歐洲大陸，高樓大廈很難在人們眼中看到。改革開放以來，中國國民經濟快速發展，中國高層建筑迅速發展，中國是摩天大樓發展的中心。上海，長三角，廣州，深圳，珠三角，北京，天津，重慶等中西部地區紛紛興建了大量摩天大樓。中國高層建筑的數量和高度是世界第一。

中國是世界第三大陸地，地質條件復雜，自然災害頻發。在中國，震中淺，分布范圍廣，地震頻率和強度高。自1949年以來，已有22個省（直轄區和直轄市地方政府）發生了2500多次特大地震，東部地區有14個省份，27萬多人因它死亡，占全國所有災害的54%。地震災害覆蓋面積30km2，700萬戶房屋倒塌。地震和其他自然災害是中國的基本國情之一。

在1989年和1994年的兩次大地震后，美國建立了基于性能抗震設計的綜合設計和系統。此外，在2000年，許多基于性能的抗震設計研究被用作性能設計目標和性能標準指導的統一標準，并于2000年發布了《建筑抗震設計規范》。抗震設計的概念與高層建筑有關，基于性能的抗震設計在中國的設計體系中扮演著非常重要的角色，因為有必要在高層建筑設計中同時使用這種方法。

3 基于性能抗震設計的超限建筑分析

3.1 對超限的判別

高于10層的建筑物統稱為高層建筑。這些建筑物中有摩天大樓。摩天大樓是否超出限制與高度有關，包括三個方面：縱橫比是否超出限制，平面規則是否超出限制，以及縱向規則是否超出限制通過與規格進行比較來判斷。

3.2 超高層建筑基于抗震設計的性能的思想內容

在當前的社會環境下，世界各國都將以“小震不壞、中震可修、大震不倒”思想作為其抗震標準的思想指導，同時時間和實踐也證明了，這種地震災害處理的標準是人們目前為止最合理的方法。但該方法最大的缺陷是雖然可以使建筑在大地震面前保持穩定，保證人民的安全，但很容易使建筑結構在地震中喪失功能，從另一方面對社會造成損失。而在我國目前的實踐基礎上，基于性能的抗震設計變得越來越重要，因為這種思維方式帶來了很多經濟損失，其缺點已經變得非常明顯。

3.3 超限高層建筑抗震性能水準

根據現行有關規定，中國摩天大樓的抗震性能水平主要包括以下六個標準：①可以在地震后保持建筑結構的穩固性，不需要進行維修以便于再利用；②地震后維護建筑物的完整性，只有少量的小裂縫，一般不需要再使用即可重復使用；③地震發生后，主要構件需要對其進行修補，并能維護重要建筑物的完整性，雖然其他部位存在裂縫，但一般維修后仍可再使用；④地震發生后，重要的建筑結構受到輕微破壞，其他不重要的結構有中度的破壞，在再次使用之前，需要對建筑物進行修復；⑤地震發生后，建筑物的重要結構具有較小的中等程度損傷，其他非重要結構受到較大損傷，在使用前需要對建筑物進行修復和加固；⑥地震發生后，建筑物的重要結構受到明顯的中度破壞，其他非重要結構受到嚴重破壞，但沒有倒塌，建筑物危及人們的健康。表1表示這六種建筑損傷程度對應的建筑破壞等級。

表1 表示建筑破壞等級劃分

3.4 我國抗震結構基于性能設計存在的缺陷

由于歷史條件的限制，中國科學抗震設計尚未達到一定的水平。隨著社會的進步，考慮現有摩天大樓性能的抗震設計不能有效解決現實世界中的一系列問題。此外，摩天大樓的抗震設計正變得越來越復雜。在評估建筑物的可行性結構時，由于建筑物是基于相關測試的，所以很難高效地實施建筑物的建設。由于所有摩天大樓都在創新設計，所以很難準確判斷許多高層建筑的抗震性能水平。在某些情況下，這種分析的計算方法還沒有得到改進，因為它不能滿足計算需要。總之，基于性能的抗震設計在摩天大樓的設計中是最合適的，但由于建筑的獨特性和復雜性，尚未就如何操作和設計進行進一步的研究。

4 工程案例

4.1 工程概況

某公司計劃建造一個研究大樓，地下3層，地面11層。在一樓的中間設置一個大廳，在二樓的相應位置應該設置一個大洞。一樓大廳與洞的位置相對應，3層、4層和5層相結合，以此設置高空間報告廳。在五層對應的位置上建立一個轉換層，并對鋼混凝土桁架采用垂直分量變換。其余的樓層是辦公室和會議室等功能空間。地下1層5.1m高，地下2層高4.6m，地下3層高3.6m；地上1、2層為4.79m，3～10層為3.7m，11層為4.2m，總高度為43.4m。抗震設防類別：c類；抗震設防烈度：Ⅵ度，設計基礎地震加速度0.05g，設計地震分組為第一組，場地土壤類別為二類。圖1是該結構的三維模型。

4.2 地震作用下轉換層的驗算

在不考慮地板的水平力的情況下對轉移水平荷載的承載力進行驗證（即對轉移桁架的“零樓板”進行驗證）。在計算模型中將轉換桁架層設置為彈性膜，不考慮樓板剛度效應（圖2），取桁架桿的最不利內力組合，根據（GB50010-2010）《混凝土結構設計規范》的第6.2.25條和（JGJ 138-2001）《鋼筋混凝土復合結構技術規范》第六章進行驗算。

圖1 表示該工程三維模型圖

圖2 表示轉換層計算模型

經過驗算，轉移桁架均可滿足要求。轉換層應參照（JGJ 3-2010）第10.2.24條進行檢查。利用Satwe計算轉換層上部底部剪力的設計值，通過驗算，獲知了地板剪切能力滿足要求。

5 結語

在嚴格高層建筑的情況下，基于性能的抗震設計方法趨于合理化，并且這種方法可以建立更具體和更可操作的性能水平。由于摩天大樓的高度和寬度規則的使用以及新技術和新方法的使用通常不受限制，摩天大樓的設計師將根據摩天大樓的特點評估目標大樓的整體性能，并且它可以被識別，因而設計的靈活性得到提高。

[1]王琳.關于高層建筑結構抗震超限設計的探討[J].門窗，2014（12）：45.

[2]蒲燦.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].環球人文地理，2015（14）：114.

[3]胡永峰.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].環球人文地理，2015（14）：114.

[4]徐敬蓮.關于高層建筑結構設計中如何規避“超限高層”問題的探討[J].四川建材，2015（2）：68.