高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計應(yīng)用

熊惠莉

[摘要]在建筑結(jié)構(gòu)基于性能要求的抗震設(shè)計方案中，抗震措施是一個重要的組成部分，而且高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震問題也逐漸成為建筑行業(yè)關(guān)注的焦點。通過對高層建筑結(jié)構(gòu)中現(xiàn)行規(guī)范抗震分析與設(shè)計的內(nèi)容及常見問題的分析，總結(jié)高層建筑抗震的方法。預(yù)測將來高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計的新趨勢。

[關(guān)鍵詞]高層建筑 建筑結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計

中圖分類號：TU2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520072－01

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步而不斷發(fā)展的。隨著經(jīng)濟水平的增長和高層建筑的增多，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已經(jīng)變得越來越重要。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計面臨的迫切任務(wù)，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震仍然是建筑物安全考慮的重要問題。

一、現(xiàn)行規(guī)范抗震分析與設(shè)計的內(nèi)容

我國現(xiàn)行抗震規(guī)范要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下，按反應(yīng)譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內(nèi)力及位移，并用極限狀態(tài)方法設(shè)計構(gòu)件。對于重要建筑或有特殊要求時，要用時程分析法補充計算，并進行罕遇地震作用下（大震）的變形驗算。這種先用多遇地震作用進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，再校核罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的方法，即二階段設(shè)計方法。同時規(guī)范還規(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力分析和彈塑性靜力分析兩大類。彈塑性動力分析，采用桿模型和層模型等簡化的結(jié)構(gòu)計算模型。層模型計算能得到各樓層的反應(yīng)，例如層剪力、樓層側(cè)移和層間轉(zhuǎn)角、層間位移延性比等，它主要是從宏觀上即層間變形檢驗結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性。層模型計算的數(shù)據(jù)相對較少，適宜于進行宏觀檢驗，也便于計算多條地震波作用。但無論是采用桿模型還是層模型進行彈塑性時程分析，計算結(jié)果受地震波的影響較大且不存在唯一答案，有時難以判斷。

上世紀(jì)九十年代中期一些學(xué)者相繼提出彈塑性靜力分析方法用于結(jié)構(gòu)抗震分析。這種方法并非創(chuàng)新，但有較多優(yōu)點。由彈塑性靜力分析，可以了解結(jié)構(gòu)中每個構(gòu)件的內(nèi)力和承載力的關(guān)系以及各桿件承載力間的相互關(guān)系；檢查是否符合強柱弱梁，并可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱部位；還可得到不同受力階段的側(cè)移變形，給出“底部剪力一預(yù)點側(cè)移”關(guān)系曲線以及“層剪力一層間變形”關(guān)系曲線等等。后者即可作為各樓層的“層剪力一層間位移”骨架線，它是進行層模型彈性時程分析所必須的參數(shù)。只要結(jié)構(gòu)一定，其結(jié)果不受地震波的影響，只與初始樓層水平荷載的分布有關(guān)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震抗震分析與設(shè)計中常見問題

（一）高度問題。按我國現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定綜合考慮經(jīng)濟與適用的原則，給出了各種常見結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度。

這個高度是在我國目前建筑科研水平、經(jīng)濟發(fā)展水平和施工技術(shù)水平下，較為穩(wěn)妥的，也是與目前整個土木工程規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的。對于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因為在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會發(fā)生很大的變化，隨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）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150m以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系（框一筒、筒中筒和框架一支撐），這些也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外特別在地震區(qū)，是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而在我國鋼筋混凝土結(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)，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗?；旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，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)，而且效果不大，有時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，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，且加強層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實現(xiàn)強柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強層及轉(zhuǎn)換層時，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。

（三）在一些烈度區(qū)采用了較低的抗震和構(gòu)造措施?，F(xiàn)在許多專家學(xué)者提出，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度已不能適應(yīng)國情的需要，認(rèn)為我國“取用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度”并主張“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度水平應(yīng)該大幅度提高”。此外，對于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個抗震設(shè)計原則，在新形勢下也有重新審核的必要。

設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低的根本原因在于國家財力物力有限。我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計除了設(shè)防烈度較低外，具體抗震計算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也不如國外，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，與外國相比，也有異同。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，特別是高烈度區(qū)要有嚴(yán)格的抗震措施與抗震構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的安全。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計的新趨勢

1．基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計現(xiàn)場理論PBD（Performance-based Design）方法。上世紀(jì)90年代美國學(xué)者Bertero.R和Bertero.V.V等研究人員首先明確提出了基于性能的抗震設(shè)計概念，這種方法主要是將結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)轉(zhuǎn)化為破損指標(biāo)和位移需求，并且對基于性能的抗震設(shè)計進行了持續(xù)的研究，并將其作為新一代的抗震設(shè)計方法。

2．動力時程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法。這種方法把現(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)動力響應(yīng)問題。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力方程，引入位移與速度為狀態(tài)變量，導(dǎo)出狀態(tài)方程，給出非齊次狀態(tài)方程的解，進而建立狀態(tài)空間迭代計算格式。經(jīng)工程實例驗算，具有較高精度。特別對多自由度體系的多輸入、多輸出等問題的動力響應(yīng)解法，效率較高。

3．材料參數(shù)隨機性的抗震模糊可靠度分析。該方法從結(jié)構(gòu)整體性能出發(fā)，改變過去對結(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，地震烈度的隨機性，烈度等級界限的隨機性與模糊性對結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。研究成果可用于對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進行抗震可靠度評估，并可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡志霞，抗震分析與設(shè)計在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2008.12.

[2]林樹枝，廈門市高層建筑的建設(shè)及發(fā)展策略研究[J].廈門科技，2008.6.

[3]黃斌，超限高層住宅建筑的抗震設(shè)計[J].廣東土木與建筑，2008.9.

[4]GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].國家質(zhì)檢總局（SBTS），2001.

[5]GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S].國家質(zhì)檢總局（SBTS），2002.