高層建筑抗震性能化設計重難點及處理方法的探析

殷 霞 云南建設學校土木工程系副高級講師，一級注冊結構工程師

我國的高層建筑經過二十多年的快速發展，不僅在高度上不斷實現突破，為獲得更好的綜合效益，還不斷在完善功能、提升品質、創新造型、革新技術、降低消耗、抗震防災等方面提出更高的要求，導致不規則的、復雜的、超限的高層建筑結構不斷涌現。《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）新增3.10 節提出結構抗震性能化設計以適應發展的需要。目前，建筑結構抗震性能化設計被廣泛應用在各行業各類建、構筑物中，成為解決復雜抗震問題的有效方法。

1 建筑結構抗震性能化設計理論的基本內容

抗震性能化設計是基于抗震設計基本理論，重點突出差異化、抗震性能可量化的更加科學的設計方法。針對不同工程的具體情況，基于概念設計、“多道防線”思想，綜合考慮結構的承載能力和變形能力，協調可靠和經濟兩方面的要求，貫徹“多級設防”思想，加強薄弱部位，提倡“個性化”設計，靈活運用各種結構措施實現預期的性能目標。抗震性能化設計基本內容包括以下4 個方面，一是確定地震設防水準；二是確定抗震性能目標；三是確定結構抗震性能水準和計算分析；四是結構抗震性能分析評估和工程研判[1]。本文就高層建筑抗震性能化設計的重點和難點，以及設計中遇到的問題和處理方法進行討論。

2 高層建筑抗震性能化設計的重難點及相應處理措施

高層建筑經常遇到的設計問題主要包括，與結構側向剛度相關的問題；高度超限的問題；不規則問題等[2]。與側向剛度相關的問題主要有平面兩個方向剛度差異大；豎向剛度突變；剛度分布不合理等。以下不規則類型需要重點處理，包括因平面不規則導致的扭轉效應；豎向不規則宜以豎向剛度突變為重點，加強針對性，其他不規則類型為輔[3]。針對上述問題，基于力學的基本原理和抗震設計的基本原則，從結構整體受力、構件間的協同工作、具體構件設計3 個層面全過程把控，實現建筑抗震性能化設計目標。

2.1 結構整體受力方面

2.1.1 重點控制指標及相關調整措施

規范規定的重點量化控制指標有層間位移角、軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期比、剛重比[2]。軸壓比在構件層面起到控制構件延性的作用，其他指標都是從結構整體層面或整體與構件間的協同工作層面發揮作用。

層間位移角是確保結構整體剛度的宏觀位移控制指標，目的是限制結構正常使用條件下的水平位移，避免構件產生過大變形或開裂，避免因位移過大導致重力二階效應嚴重而影響結構的承載力、穩定性和使用，避免非結構構件出現過大的破壞[4]。當層間位移角不滿足要求時，需要提高結構的豎向剛度。受扭轉效應的影響，高層結構最大層間位移常出現在結構的邊角部位，減小層間位移最大值可以從減小結構偏心程度、調整結構平面布置、增強外圍相應位置豎向抗側力構件剛度、保證樓板剛度等措施，對復雜結構尚應重視結構位移計算模型的合理性，采取多種手段驗證對比，檢驗計算的正確性。層間位移角過小則表明結構技術經濟指標不夠合理，需要適當減小結構的豎向剛度，例如減小墻、柱的截面面積。位移比是控制結構平面規則性的位移指標，調整措施與層間位移角的類似。

剪重比又稱為地震剪力系數，基本周期較長的結構按規范得到的不同烈度下的地震作用效應計算值比實際值小，出于安全考慮規定了樓層最小地震剪力系數[2]。剪重比的規定對各類結構都適用，不受結構形式和阻尼比差異的影響。剪重比與結構周期、扭轉效應關系密切。剪重比不滿足要求需要調整結構選型或優化結構總體布置，增加合理性和安全性；如果底部總剪力滿足、上部少數樓層（小于等于樓層總數的15%）不滿足，可以乘以剪力增大系數；若底部總剪力不滿足要求，需要采取調整結構選型、優化結構布置、加大豎向抗側力構件截面等措施提高結構總體側向剛度；所有結構只有在滿足剪重比要求的條件下才能進行后續的各種地震效應的計算和進行抗震設計。

剛重比表征高層結構的整體穩定狀態，規范規定了剛重比的上限和下限，剛重比超過上限較多，表明結構該方向的剛度過大，剛度和重力荷載的關系不協調，應采措施適當削弱剛度[4]；剛重比大于上限，表明結構整體穩定性好，彈性計算分析可以不考慮重力二階效應對結構的不利影響；剛重比在上限和下限之間，則不能忽略重力二階效應的影響；剛重比小于下限，表明結構的剛度過小，必須增大結構的剛度保證結構安全；對質量和剛度沿豎向分布不均勻，水平荷載分布方式不符合倒三角形分布的情況需要調整剛重比的計算方法；對整體穩定有利的設計或措施，例如連體高層結構，剛重比限值可以適當降低；值得注意的是結構周期比與剛重比相關，調整其中一個指標都會導致另一個指標改變。

周期比表征抗側力構件平面布置的有效性和合理性，可以避免結構在罕遇地震下出現比側移效應更加不利的扭轉效應。周期比不滿足要求，需要調整結構的整體剛度平面布置，保證樓板的水平剛度，增大外圍剛度，削弱內部剛度，使剛度布局更合理，具體處理措施包括增大周邊柱、剪力墻的截面或數量；增大外圍梁的高度或寬度；在建筑平面凹槽處增設連接梁；減小外圍剪力墻洞口；在中間剪力墻、核心筒上開洞等。

剛度比表征結構豎向布置的合理性和連續性、避免豎向剛度突變和形成薄弱層，地震作用下的樓層剛度是樓層平均剪力與平均層間位移的比值。剛度比不滿足要求可以采取調整本層和其上關聯樓層的層高、適當加強本層或削弱其上關聯樓層墻、柱和梁的剛度等措施。

對于結構兩個方向側向剛度差異大的問題，調整措施主要為，適當增加剛度不足方向的剪力墻數量和厚度，調整外圍剪力墻更有效；盡量將剛度不足方向的剪力墻連成筒體，形成多筒體系，避免個別剪力墻厚度過大；在側向剛度不足的方向采用減震措施，例如設置屈曲約束支撐（BRB）；對長寬比過大的建筑平面，可以采用雙核心筒結構方案，設置兩個核心筒協同受力。

2.1.2 高度超限問題

高度超限是工程師經常遇到的抗震設計問題，調整措施主要為，在選定結構體系后仍然高度超限的，可以考慮在底部加強區采用鋼骨—混凝土結構，例如框架柱采用型鋼—混凝土柱，在剪力墻中配置鋼板或型鋼，提高結構延性和承載力；結合樓電梯間及管井的布置，將核心筒一定數量的內墻設置為剪力墻，加強核心筒內外墻體間相互支承作用，提高核心筒的穩定性和整體性等。

2.2 結構內部協調機制方面

2.2.1 多道抗震防線設計

多道抗震防線設計是結構抵抗地震動的反復沖擊，避免倒塌的重要措施，設計重點是調整好結構內部分體系間剪力分擔比率及剛度匹配性的關系，既能使分體系充分發揮各自的作用，又能使整體有效合理地工作，對于框架—剪力墻、框架—核心筒、框架—支撐體系等，通常將剪力墻的連梁、框架梁和支撐設定為第一道防線，剪力墻、核心筒和框架協同抗震為第二道防線[5]。高規對框架部分的剪力分擔比率做出了明確規定，但實際工程中框架往往難以承受按剛度分配的剪力，特別是超高層結構或者設置了環帶桁架、伸臂桁架的結構，可以考慮采用直接的剛度貢獻率來評估外框的二道防線能力[4]。

2.2.2 伸臂桁架和周邊環帶結構的處理措施

采用框架—核心筒或巨型框架—核心筒體系的超高層建筑通常會在避難層設置一定數量的伸臂桁架和周邊環帶結構，一方面可以加強核心筒與外框架兩個內外分體系間的連接、提高結構的整體性，協調二者的受力和變形，控制結構位移；另一方面也會產生局部剛度、變形和剪力嚴重的突變，導致結構豎向不規則，上下層相關構件容易破壞的問題[6]。對于伸臂桁架和周邊環帶結構的設置，需要綜合考察不同地震水平下對結構整體抗震性能有利和不利兩方面的影響，多方驗證，選擇技術經濟性最優的方案。處理措施為，將設置了伸臂和周邊環帶結構的樓層應定義為加強層；豎向支承構件提高其抗彎和抗剪承載力，保證足夠的安全度，避免加強層及其上部結構倒塌；伸臂桁架和環帶結構的斜腹桿采用屈曲約束支撐作減震處理，可以減小加強層剛度突變，減小主體結構損傷，避免出現軟弱層。

2.2.3 連梁的處理措施

連梁是剪力墻的第一道防線，在協調墻肢受力和變形方面發揮重要作用[5]。在強烈地震作用下連梁先產生塑性鉸，出現剛度退化，從而耗散地震能量，延緩主體墻肢屈服。連梁出現塑性鉸后仍能傳遞彎矩和剪力，不會對墻肢強度和剛度產生大的影響，但會減弱墻肢間的協同工作性能。

因此，必須注意保證連梁足夠的剛度和控制其剛度退化進程，正常使用狀態下連梁處于彈性，在罕遇的地震下，連梁先于墻肢屈服。處理措施為，增大連梁的跨高比、適當減小結構整體剛度、提高剪力墻混凝土強度等；部分連梁超限時，在滿足“強剪弱彎”的條件下可采取調整連梁內力的措施；跨高比小于2時，可以配置交叉鋼筋或交叉暗撐提高連梁的抗剪能力。

2.2.4 關于樓板剛性的問題

樓板的剛性在保證結構空間整體性、約束豎向構件協同工作、傳遞豎向荷載和水平作用、協調變形和形成抗側剛度等方面有重要作用[6]。合理考慮樓板協調能力是關系結構水平剛度的一個重要問題，特別是平面細腰結構。處理措施為，盡量保證高層建筑樓面的完整性和剛度，樓板開洞符合規則性和開洞率的要求；要求樓板的承載力在設防地震作用下不屈服，在罕遇地震作用下不應發生受拉破壞；被削弱的樓板可以采取提高混凝土強度等級、加厚樓板并采用雙層雙向配筋，增大相關梁的截面尺寸、提高配筋率等補強措施。

2.3 構件設計方面

高層結構在抗震性能方面將構件區分為：關鍵構件、一般構件、耗能構件，在采取基本抗震措施的前提下，根據工程的具體情況確定“個性化”的抗震性能目標進行設計。

2.3.1 豎向構件的軸壓比

高層結構的豎向構件主要指框架柱、剪力墻和核心筒，是保證大震下豎向荷載傳遞路徑的重要構件，限制其軸壓比可以在保證結構延性的同時提高承載力和整體抗倒塌能力。減小軸壓比的措施有以下幾種方式。提高構件混凝土強度等級、增大截面、加強柱箍筋（全高采用復合螺旋箍筋或減小箍筋肢距和間距）、底部柱內附加芯柱、底部剪力墻內設置鋼骨（鋼板、鋼管或型鋼）、加強剪力墻邊緣構件等。

2.3.2 關鍵構件

關鍵構件應根據結構受力特點和耗能機制綜合確定，并控制其數量。應提高受力較大且需要參與耗能的關鍵構件的延性；提高受力較大且容易發生連續破壞的關鍵構件的承載力，并保證延性；底部加強區則要求抗彎屈服先于抗剪屈服[6]；剪力墻通過減小軸壓比保證其屈服后仍具有較好的延性；提高水平轉換構件及與其相連的豎向支承構件、連體結構的連接體及與其相連的豎向支承構件、懸挑結構的主要懸挑構件等關鍵構件的抗彎和抗剪承載力，保證結構安全；加強層伸臂和周邊環帶結構、平面形狀不規則區域、角部等位置的豎向支承構件因受力復雜應著重保證其延性，可采用減小軸壓比或提高配筋率的措施；加強弱連接處的樓板及框架梁的剛度、抗拉和抗剪承載力，采取提高混凝土強度等級、樓板加厚并采用雙層雙向配筋，增大框架梁的截面尺寸、提高配筋率等措施。

2.3.3 耗能構件

耗能構件主要是指框架—剪力墻結構、剪力墻結構和框架—核心筒結構的連梁、框架梁等。結構抗震設計要求實現在罕遇地震下連梁、剪力墻、框架梁、框架柱依次損壞的順序。高層結構在罕遇地震下連梁上首先形成塑性鉸、實現耗能，同時仍具有一定的剛度、繼續傳遞內力和約束墻肢的能力，使剪力墻能保持足夠的強度和剛度。因此，連梁在正常狀態和小震下應處于彈性，大震時進入彈塑性，重點保證連梁的延性。具體措施包括，在進行結構整體計算時，地震作用下折減連梁剛度、正常狀態下不折減、位移計算不折減；提高連梁的混凝土強度等級；全長加密連梁的箍筋；墻體水平分布鋼筋在連梁范圍內拉通；跨高比不大于2 的連梁宜增配對角斜向鋼筋；對跨高比不大于1 的宜增置交叉暗撐；多數連梁超限，宜增大連梁的跨高比，適當降低整體剛度； 部分連梁超限 ，在滿足“強剪弱彎”的條件下可以調整連梁內力等。框架部分的框架梁作為耗能構件，塑性鉸首先出現在梁端，但為保證建筑整體安全性，梁的剛度不允許降低過大、不允許退出工作[6]。研究表明，框架梁的損壞先從中下部樓層開始并逐步向上發展，但多數損壞程度不大，少量出現中重度損壞，原因是設計時將梁和周邊樓板分開，未充分考慮樓板的協同受力和剛度貢獻，與實際情況有出入。因此應考慮樓板剛度，適當減小梁的縱筋配筋量，增加箍筋配筋量，提高框架梁的耗能能力。

3 結語

當前各種超限復雜高層建筑層出不窮，對于工程師而言，做好這些建筑的抗震設計是不小的挑戰。運用性能化設計方法，確定合理的抗震性能目標和結構抗震性能水準、遵守力學基本原理和概念設計的基本原則，貫徹優先把控整體，其次再深入到構件的承載力、變形和細部構造等細節，通過恰當地計算采取相關措施，綜合考慮提高結構（局部）或構件的變形能力和承載能力，可以在實現抗震性能目標的同時獲得良好的技術經濟效果。