高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用探討

王名川

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230002

高層建筑隨著高度的增加，受水平作用的影響越來越大，水平力沿高度近似倒三角形分布，因此高度對結(jié)構(gòu)底部彎矩和頂部側(cè)移的影響非常明顯，地震作用對高層建筑的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對多層建筑。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)時，選擇合理的抗震設(shè)計(jì)方案，不僅能夠最大限度地改善建筑物的抗震性能，對經(jīng)濟(jì)性也會有正面積極的作用。高層建筑抗震設(shè)計(jì)不可僅依賴于計(jì)算，在確定結(jié)構(gòu)平面、豎向布置時，需著重注意抗震概念設(shè)計(jì)。

1 抗震概念設(shè)計(jì)

抗震概念設(shè)計(jì)就是建立一個符合實(shí)際情況的建筑力學(xué)模型，對其進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果及規(guī)范要求設(shè)置抗震構(gòu)造。在設(shè)計(jì)過程中，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)的彈性變形是考慮多遇地震作用效應(yīng)和其他荷載組合，而驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形是考慮罕遇地震烈度對應(yīng)的地震作用效應(yīng)[1]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)用

鑒于抗震概念設(shè)計(jì)的原則以及地震作用的不可預(yù)知等特性，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)，發(fā)揮其前期引導(dǎo)作用、優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系選擇，遵循結(jié)構(gòu)布置原則，進(jìn)行抗震分析，加強(qiáng)構(gòu)造措施，從而保證整體結(jié)構(gòu)抗震性能。

（1）發(fā)揮前期作用。抗震設(shè)計(jì)的本質(zhì)是解決建筑結(jié)構(gòu)的“大震不倒”問題，大多數(shù)結(jié)構(gòu)在大震作用下發(fā)生倒塌的原因并不是地震把建筑物直接晃倒的，而是建筑物在較大的水平作用下，發(fā)生較大的側(cè)移從而引發(fā)P-Δ效應(yīng)，最終在自重的作用下承載力不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌。因此大震作用下的結(jié)構(gòu)安全，需要通過前期概念設(shè)計(jì)和后期抗震構(gòu)造措施來保證，通過提高結(jié)構(gòu)的延性來耗能，而避免正面硬抗。抗震概念設(shè)計(jì)能夠綜合考慮地震的不確定性和對建筑物影響的規(guī)律性，確保結(jié)構(gòu)擁有合理的承載力、剛度和延性，把建筑物作為有機(jī)整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理清結(jié)構(gòu)總體系和分體系、分體系和各構(gòu)件之間的受力特征和相互關(guān)系。在開始設(shè)計(jì)階段，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用可以對整體性進(jìn)行全面構(gòu)思、比較和選擇，從而快速地比選出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，幫助建筑師優(yōu)化功能布局。抗震概念設(shè)計(jì)并不是對復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一味地排斥，而是能夠根據(jù)建筑功能的需要，在應(yīng)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)時能夠確認(rèn)目前的結(jié)構(gòu)方案是否已經(jīng)是最佳選擇，不合理的結(jié)構(gòu)體系或者結(jié)構(gòu)布置所帶來后果是否能夠承受，針對已經(jīng)存在的不規(guī)則問題是否有合理的補(bǔ)救或者加強(qiáng)措施，這些措施是否會付出超出預(yù)期的代價(jià)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要對自己設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總體系及各體系之間的相互關(guān)系了解透徹，從而設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，而概念設(shè)計(jì)在其中發(fā)揮重要作用。

（2）結(jié)構(gòu)體系選擇。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體系的選擇重中之重，受剛度和承載力的不同等因素影響，各種體系的適用范圍是不同的，設(shè)計(jì)師應(yīng)針對建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)先采用抗震性能優(yōu)越、現(xiàn)場便于施工、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑的功能、形式和空間的不斷發(fā)展，促使結(jié)構(gòu)體系的不斷創(chuàng)新[2]。

（3）結(jié)構(gòu)布置原則。結(jié)構(gòu)總體布置考慮的是盡量以均勻、對稱的結(jié)構(gòu)布置形式為主。一般情況下，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循以下原則：在符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的前提下，采用對抗震有利的建筑平面和立面，優(yōu)先選擇規(guī)則的結(jié)構(gòu)和對抗震有利的結(jié)構(gòu)布置；可采用明確的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究；結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有合理、明確的傳力路徑，作用在上部結(jié)構(gòu)的豎向和水平力能夠直接傳遞到地基基礎(chǔ)上；結(jié)構(gòu)應(yīng)具有盡量多的冗余度和避免連續(xù)倒塌的能力，保障整體結(jié)構(gòu)不會因?yàn)榫植拷Y(jié)構(gòu)的破壞對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

（4）抗震計(jì)算分析。抗震計(jì)算分析是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理的重要保證，是實(shí)現(xiàn)第一水準(zhǔn)“小震不壞”要求的前提，也是對抗震設(shè)計(jì)前述步驟的驗(yàn)證。建立結(jié)構(gòu)計(jì)算的模型時，應(yīng)首先從工程實(shí)際情況和需求點(diǎn)出發(fā)，然后對程序的選用進(jìn)行適用度分析，在這個過程中，要以結(jié)構(gòu)整體性能和實(shí)用性能為前提，避免盲目追求模型的獨(dú)特形式。對于開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)具有扎實(shí)的力學(xué)理論基礎(chǔ)知識，能夠快速找出傳力路徑并概念準(zhǔn)確地對平面計(jì)算模型進(jìn)行比較計(jì)算，從而進(jìn)行精確無誤的計(jì)算，合理有效解決復(fù)雜的工程問題。

（5）抗震性能化設(shè)計(jì)。近年來，雖然科學(xué)技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不斷發(fā)展，但是地震頻發(fā)產(chǎn)生的破壞性仍然在困擾著所有人，尤其是發(fā)現(xiàn)目前應(yīng)用的一些抗震設(shè)計(jì)方法還存在不足和局限。有些抗震設(shè)計(jì)方法不能保證結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的延性耗能機(jī)制，設(shè)計(jì)者難以掌握結(jié)構(gòu)在遇到各種類型地震時的實(shí)際力學(xué)性能變化情況。因此，針對超高層建筑或者多種不規(guī)則情況的特殊建筑，結(jié)合性能變化分析從而制定相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)，采取切實(shí)有效的抗震構(gòu)造措施，才是抗震性能化設(shè)計(jì)。高層建筑性能化設(shè)計(jì)已成為一種發(fā)展趨勢，該方法能夠針對整個結(jié)構(gòu)或者某個部位設(shè)定合理的性能目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)針對性的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和薄弱部位，靈活的設(shè)置抗震性能目標(biāo)并結(jié)合實(shí)際設(shè)置抗震構(gòu)造，有利于提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，該方法是解決復(fù)雜問題的有效手段之一，也是超高層建筑設(shè)計(jì)的重要方法[3]。

3 結(jié)束語

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)用，不能僅僅依靠電算的方式進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，必須通過思考和判斷去了解規(guī)范的內(nèi)容，而不是僅僅去滿足最低限值，同時要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、判斷力來主導(dǎo)設(shè)計(jì)。要做到這一點(diǎn)，結(jié)構(gòu)工程師必須在每個項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，不懈地追求最佳最優(yōu)，通過比較才能不斷充實(shí)自己。從業(yè)人員平時應(yīng)注重積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、震害分析等內(nèi)容，從而對提高抗震設(shè)計(jì)的水平有重要作用。