高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計分析

張碩南

（悉尼大學(xué) 坎伯敦新南威爾士州 2006）

0 引言

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提升抗震的性能是關(guān)鍵點(diǎn)，只有充分注重從超限設(shè)計方面加大力度，保障設(shè)計工作和實(shí)際要求相契合，才能保障建筑結(jié)構(gòu)抗震性能有效提升。要注重在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計中，相關(guān)設(shè)計人員能從多維度進(jìn)行考慮，保障各細(xì)節(jié)的設(shè)計質(zhì)量，如此才能保障高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計目標(biāo)以及要求

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計目標(biāo)

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計要能按照既定的目標(biāo)執(zhí)行操作，使之設(shè)計能符合高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能要求。從性能的角度出發(fā)，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計就要能從不同設(shè)防水平地震作用角度出發(fā)，按照抗震性能目標(biāo)來設(shè)計相應(yīng)性能水平的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前對于結(jié)構(gòu)性能水平劃分還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，圖1所示的基本性能目標(biāo)，以及重要性能目標(biāo)和安全臨界性能目標(biāo)狀況內(nèi)容[1]。不同的數(shù)字代表不同的目標(biāo)內(nèi)容，如1代表的是基本性能目標(biāo)；2是代表重要性能目標(biāo)；3是代表安全臨界性能目標(biāo)。性能目標(biāo)是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的關(guān)鍵，是在發(fā)生地震中的預(yù)期性能，在建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計當(dāng)中，就要能充分注重從不同的性能目標(biāo)方面加強(qiáng)重視，保障結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。

圖1 高層建筑結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)參考

1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計要求

保障高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計質(zhì)量，這就需要按照相應(yīng)的要求，從以下幾點(diǎn)要加強(qiáng)重視：

（1）按照三水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計的要求比較高，所以這就要求設(shè)計人員在具體設(shè)計時候能按照三水準(zhǔn)檢查要求標(biāo)準(zhǔn)。抗震設(shè)計和建設(shè)后，小規(guī)模內(nèi)地震影響不影響建筑使用。中級地震后工程自身功能能有效維持，損壞也能采用修復(fù)進(jìn)行恢復(fù)。大地震的時候建筑工程不會大規(guī)模坍塌。達(dá)到三水準(zhǔn)的設(shè)計要求，才能真正有助于提升建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的質(zhì)量，保障建筑工程的整體質(zhì)量[2]。

（2）設(shè)計要具體化。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震超限設(shè)計中面對的內(nèi)容比較多，這就需要在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計方面能從多方面進(jìn)行優(yōu)化，保障不同環(huán)節(jié)的設(shè)計要細(xì)化具體，從而才能提升整體建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的質(zhì)量。超限高層建筑實(shí)際設(shè)計當(dāng)中，需要對建筑截面結(jié)構(gòu)詳細(xì)考慮，這是提升抗震設(shè)計質(zhì)量的重要因素。進(jìn)行第二階段的設(shè)計中，需要對建筑的彈性設(shè)計質(zhì)量得以控制，避免地震時候發(fā)生嚴(yán)重坍塌的問題。

（3）遵循科學(xué)原則。建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計當(dāng)中需要按照相適應(yīng)的原則，才能有助于提升設(shè)計的整體質(zhì)量。設(shè)計中要依照強(qiáng)剪弱彎以及強(qiáng)柱弱梁的原則進(jìn)行開展設(shè)計，這是保障建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的重要舉措，是提升結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的重點(diǎn)[3]。通過強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及剛度，從整體上提升建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，才能真正有助于建筑的安全使用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計要點(diǎn)及設(shè)計實(shí)例

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，相關(guān)設(shè)計人員就要在抗震超限的設(shè)計方面進(jìn)行積極優(yōu)化，保障各環(huán)節(jié)的設(shè)計質(zhì)量都能得到有效控制。以下幾點(diǎn)設(shè)計的要點(diǎn)要嚴(yán)格控制：

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)則化要點(diǎn)

面對當(dāng)前人們對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求不斷提高，設(shè)計人員就逃能從多方面進(jìn)行考慮和優(yōu)化，充分注重在結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量控制方面加強(qiáng)重視，保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)則化。只有在設(shè)計中工作人員能綜合考慮，和建筑應(yīng)用需求相結(jié)合，將建筑功能以及規(guī)劃的合理性符合實(shí)際需要，最大化和建筑設(shè)計要求相滿足，才能提升設(shè)計的質(zhì)量。設(shè)計施工環(huán)節(jié)將建筑扭轉(zhuǎn)剛度的要求要能滿足，避免由于結(jié)構(gòu)因素對抗震性能以及結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，設(shè)計時候要能按照對稱以及均勻的要求，布置剪力墻的時候就要能夠注重結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，避免由于在特殊狀況下對建筑物造成損壞影響以及坍塌風(fēng)險發(fā)生[4]。高層建筑如果是出現(xiàn)意外坍塌，所造成的危害和損失是比較巨大的，為避免這一事故發(fā)生，這就需要相應(yīng)設(shè)計人員自身要不斷提升專業(yè)水平，能夠在結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計的質(zhì)量上得以有效控制，避免發(fā)生后期的安全事故。

2.1.2 結(jié)構(gòu)層間位移設(shè)計要點(diǎn)

為能保障結(jié)構(gòu)的抗震性能，相關(guān)設(shè)計工作的實(shí)施中，就要從層間位移的控制環(huán)節(jié)加強(qiáng)重視，高層建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計方面完成全方位探討是比較必要的，如在工程價格系統(tǒng)以及材料選擇方面是比較重要的，高度比和側(cè)向荷載等因素也是比較重要的考慮因素，從這一工作方面得到了強(qiáng)化，就能有助于提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體質(zhì)量。設(shè)計中和具體高層建筑工程的設(shè)計要求相契合，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提升結(jié)構(gòu)抗震性能，將結(jié)構(gòu)抗震性能的作用得以良好發(fā)揮。

2.1.3 平面規(guī)則結(jié)構(gòu)超限設(shè)計要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計要能針對不同的狀況采取相適應(yīng)的設(shè)計方法加以靈活運(yùn)用，對于平面規(guī)則超限結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，設(shè)計人員就要注重運(yùn)用彈性樓蓋模型，依照分塊剛性樓板和局部彈性板計算，對扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)也要能充分考慮[5]。對于凹凸不規(guī)則以及樓板局部沒有連續(xù)的狀況，運(yùn)用和樓板平面內(nèi)剛度變化彈性樓板計算模型，這就能有助于提升計算的精確度。對于樓板應(yīng)力集中的部位以及弱連接樓板，就要通過增大樓板厚度以及增加板內(nèi)配筋等方式進(jìn)行強(qiáng)化，這是提升結(jié)構(gòu)靠枕性能的重要舉措。設(shè)計中對于平面不規(guī)則的，以及樓板的聯(lián)系比較薄弱的時候，就能通過變形縫來把結(jié)構(gòu)分成諸多子結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的建筑使用抗側(cè)力構(gòu)件在平面布置中對稱，這樣能強(qiáng)化外圍豎向構(gòu)件抗側(cè)剛度強(qiáng)度提升。

2.1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

為能保障高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計的質(zhì)量，從設(shè)計的方法優(yōu)化層面加強(qiáng)重視就顯得格外重要。對于超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在設(shè)計人員對同種結(jié)構(gòu)單元性質(zhì)和地基性質(zhì)保持一致，結(jié)構(gòu)的形式要能相同。設(shè)計中和位移結(jié)構(gòu)抗震法相結(jié)合，保障結(jié)構(gòu)變形能力和設(shè)計固定中形變要求相符合，制定科學(xué)有效的減震方案，在結(jié)構(gòu)承受力方面進(jìn)行驗證。除此之外，控制建筑剛度也是比較重要的，結(jié)構(gòu)計算表格當(dāng)中剛度呈現(xiàn)周期性規(guī)律，這對主體結(jié)構(gòu)位移會產(chǎn)生影響，設(shè)計中就要注重就剪力墻結(jié)構(gòu)開動以及建筑截面等尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保障達(dá)到抗震的設(shè)計目標(biāo)。

2.1.5 豎向規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計要點(diǎn)

就不同的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計，就要能采用相適應(yīng)的設(shè)計方法，從整體上提升設(shè)計的質(zhì)量。豎向規(guī)則超限建筑的設(shè)計當(dāng)中，需要從幾個要點(diǎn)上加強(qiáng)重視，如在立面收進(jìn)引起的超限方面，運(yùn)用臺階形多次內(nèi)收立面，就要保障結(jié)構(gòu)位移沿著豎向不發(fā)生突變的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)要能得以有效控制[6]。對于收進(jìn)部分豎向構(gòu)件和樓板要注重強(qiáng)化，收進(jìn)出現(xiàn)了偏心的問題，底部結(jié)構(gòu)會受到扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生內(nèi)力，驗證抗震的性能是比較必要的。立面開大洞的建筑就要注重洞口四角和洞邊的質(zhì)量控制，從這一層面得到了強(qiáng)化，就能有助于提升設(shè)計的綜合質(zhì)量。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計實(shí)例

某地一高層的酒店建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計當(dāng)中，建筑是兩幢高層建筑，一號是地上15層，高度達(dá)到60m，2號建筑是地上20層，高度達(dá)到70m。建筑由于是處在地震發(fā)生區(qū)域內(nèi)，所以設(shè)計中轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系超過技術(shù)規(guī)程，在設(shè)計中對建筑落地剪力墻以及框支柱軸壓比進(jìn)行了控制，保障落地剪力墻軸壓比的極限值達(dá)到0.4，而框支柱軸壓比的限值是0.5，設(shè)計成特一級。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析過程中，對單向地震作用雙向地震作用計算分析[7]。抗震設(shè)計當(dāng)中對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的特征分析，保障結(jié)構(gòu)鋼心和質(zhì)心的重合，提升抗震的性能。

3 結(jié)語

綜上而言，高層建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計當(dāng)中，通過超限高層建筑結(jié)構(gòu)的良好設(shè)計，這就能為建筑工程的整體質(zhì)量控制打下堅實(shí)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計涉及到的內(nèi)容比較多樣，需要設(shè)計人員從不同的角度進(jìn)行考慮。從而保障各設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量，從整體上提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性能。