高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問題及其對(duì)策

陳維東

摘要：高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展的。自20世紀(jì)90年代后，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)已提到各國(guó)建筑設(shè)計(jì)的日程，特別是我國(guó)處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切任務(wù)。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；抗震分析；建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）05-0173-02

一、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

在罕遇地震作用下，抗震結(jié)構(gòu)都會(huì)部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，為了滿足大震作用下結(jié)構(gòu)的功能要求，有必要研究和計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，是根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)彈塑性分析將成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)必要的組成部分，但是由于結(jié)構(gòu)彈塑性分析的復(fù)雜性，在如何進(jìn)行計(jì)算和如何設(shè)定具體要求的問題上，各國(guó)的做法也有所不同。

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范(GB5002l－2001)要求高層建筑的抗震計(jì)算主要是在多遇地震作用下（小震），按反應(yīng)譜理論計(jì)算地震作用，用彈性方法計(jì)算內(nèi)力及位移，并用極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)構(gòu)件。對(duì)于重要建筑或有特殊要求時(shí)，要用時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算，并進(jìn)行大震作用下的變形驗(yàn)算。這種先用多遇地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再校核罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的方法，即為所謂的二階段設(shè)計(jì)方法，同時(shí)規(guī)范規(guī)定了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性變形的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動(dòng)力分析（時(shí)程分析）和彈塑性靜力分析（推力計(jì)算）兩大類。

二、我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的一些問題

（一）高度問題

按我國(guó)現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）規(guī)定，在一定設(shè)防烈度和一定結(jié)構(gòu)型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個(gè)適宜的高度。這個(gè)高度是我國(guó)目前建筑科研水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平下，較為穩(wěn)妥的，也是與目前整個(gè)土建規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的。可實(shí)際上，已有許多混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑的高度超過(guò)了這個(gè)限制。對(duì)于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度：一要有專家論證，二要有模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。因?yàn)殡S著建筑物高度的增加，許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。

（二）材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。我國(guó)150m以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系（框—筒、筒中筒和框架—支撐體系），都是其他國(guó)

家高層建筑采用的主要體系。但國(guó)外，特別在地震區(qū)，是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而在我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗(yàn)。在高層建筑中采用框架——核心筒體系，因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業(yè)主所看中?；旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)簡(jiǎn)往往要承受80%以上的震層剪力，有的高達(dá)90%以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí)，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

在高層建筑中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選?，F(xiàn)在我國(guó)鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，建筑鋼材的類型及品種也在逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在超過(guò)一定高度后，由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小而且較柔，為減小風(fēng)振而需要采用混凝土材料，鋼骨（鋼管）混凝土，通常作為首選。日本阪神地震震害說(shuō)盟，在鋼骨混凝土構(gòu)件中，采用格構(gòu)式的型鋼時(shí)，震害嚴(yán)重，采用實(shí)腹式的大型型鋼或焊接工字鋼的，則震害輕微。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，若用鋼骨混凝土構(gòu)件，建議采用后者。

（三）軸壓比與短柱問題

在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)中，往往為了控制柱的軸壓比兩使柱的斷面很大，而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋。即使采用高強(qiáng)混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比是為了使柱子處于大偏壓狀態(tài)，防IE受拉鋼筋未達(dá)屈服而混凝土被壓碎，柱的塑性變形能力小，則結(jié)構(gòu)的延性就差。當(dāng)遭遇地震時(shí)，耗散和吸收地震能量少，結(jié)構(gòu)容易被破壞。但是在框架中若能保證強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，且梁具有良好延性，則柱子進(jìn)入屈服的可能縫就大大減少，此時(shí)可放松軸壓比限值。另外，許多高層建筑底部幾層柱雖然長(zhǎng)細(xì)比小于4，但并不一定是短柱。因?yàn)榇_定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2的柱才是短柱。有專家學(xué)者提出現(xiàn)行抗震規(guī)范應(yīng)采用較高軸壓比。但是即使能調(diào)整軸壓比限值，柱斷面并不能由于略微增大軸壓比限值而顯著減小。因此在抗震的超高層建筑中采用鋼筋混凝土是否合理值得商榷。

（四）較低的抗震設(shè)防烈度

現(xiàn)在許多專家學(xué)者提出，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度已不能適應(yīng)國(guó)情的需要，認(rèn)為我國(guó)“取用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度”，并主張“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度水平應(yīng)該大幅度提高”。此外，對(duì)于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個(gè)抗震設(shè)計(jì)原則，在新形勢(shì)下也有重新審核的必要。我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是比較低的，中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)（50年）超越概率為10%的地震烈度。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除了設(shè)防烈度較低外，具體抗震計(jì)算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也不如國(guó)外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上遠(yuǎn)不如國(guó)外嚴(yán)格。隨著社會(huì)財(cái)富的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)失效帶來(lái)的損失愈來(lái)愈大，加之結(jié)構(gòu)造價(jià)在整個(gè)投資中的比例下降，因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采用彈性設(shè)計(jì)。

三、高層建筑抗震分析和設(shè)計(jì)的趨勢(shì)

（一）基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

我國(guó)現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，是以承載力為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。即：用線彈性方法計(jì)算結(jié)構(gòu)在小震作用下的內(nèi)力、位移；用組合的內(nèi)力驗(yàn)算構(gòu)件截面，使結(jié)構(gòu)具有一定的承載力；位移限值主要是使用階段的要求，也是為了保護(hù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件；結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力是通過(guò)構(gòu)造措施獲得的。為了實(shí)現(xiàn)基于位移的抗震設(shè)計(jì)，第一步需要研究簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)（例如框架及懸臂墻）的構(gòu)件變形與配筋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)按變形要求進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)；進(jìn)而研究整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性后的變形與構(gòu)件變形的關(guān)系。這就要求除了小震階段的計(jì)算外，還要按大震作用下的變形進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是真正實(shí)現(xiàn)二階段抗震設(shè)計(jì)，這是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

（二）動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法

該種方法把現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間理論應(yīng)用到高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問題，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程，引人位移與速度為狀態(tài)變量，導(dǎo)出狀態(tài)方程，給出非齊次狀態(tài)方程的解，進(jìn)而建立狀態(tài)空間迭代計(jì)算格式。經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)算，具有較高精度。特別對(duì)多自由度體系的多輸入、多輸出等問題的動(dòng)力響應(yīng)解法，效率較高。

（三）材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度分析

該種方法從結(jié)構(gòu)整體性能出發(fā)，改變過(guò)去對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數(shù)的變異性，地震烈度的隨機(jī)性及烈度等級(jí)界限的隨機(jī)性與模糊性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。其研究成果可用于對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震可靠度評(píng)估，并可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

（四）隔震和消能減震設(shè)計(jì)的推廣和應(yīng)用

目前我國(guó)和世界各國(guó)普遍采用的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是“延性結(jié)構(gòu)體系”，即適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如梁、柱、墻、節(jié)點(diǎn)等）在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并目具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。這種體系，在很多情況下是有效的，但也存在很多局限性。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)各種建筑物和構(gòu)筑物的抗震減震要求越來(lái)越高，使“延性結(jié)構(gòu)體系”的應(yīng)用日益受到限制，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和理論越來(lái)越難以滿足要求，而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性，在未來(lái)的建筑結(jié)構(gòu)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)與安全的關(guān)系，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要技術(shù)政策。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，如何從我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及國(guó)際高層建筑抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)出發(fā)，探求一種實(shí)用可行的二步或三步設(shè)防的合理抗震分析設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該成為地震區(qū)高層建筑發(fā)展的新方向。