高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

宋昆霖

摘要：隨著我國(guó)城市人口的不斷增多及建設(shè)用地趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開(kāi)發(fā)及新的設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展，抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。地震是一種自然現(xiàn)象。如果強(qiáng)烈地震發(fā)生在人類(lèi)聚居區(qū),就可能造成嚴(yán)重的地震災(zāi)害,08年發(fā)生的汶川地震、4月14號(hào)青海玉樹(shù)地震再次給我們敲響了警鐘, 提醒我們?cè)诮ㄖY(jié)構(gòu)抗震方面應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)。本文通過(guò)筆者多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高層建筑抗震設(shè)計(jì)

一、抗震設(shè)計(jì)的理論分析

（一）擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀(jì)10~40年代發(fā)展起來(lái)的一種理論，它在估計(jì)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，僅假定結(jié)構(gòu)為剛性，地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心上。地震力的大小當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個(gè)比例常數(shù)(地震系數(shù))。

（二）反應(yīng)譜理論。反應(yīng)譜理論是在加世紀(jì)40~60年代發(fā)展起來(lái)的，它以強(qiáng)地震動(dòng)加速度觀(guān)測(cè)記錄的增多和對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)特性的進(jìn)一步了解，以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性的研究為基礎(chǔ)，是加理工學(xué)院的一些研究學(xué)者對(duì)地震動(dòng)加速度記錄的特性進(jìn)行分析后取得的一個(gè)重要成果。

（三）動(dòng)力理論。動(dòng)力理論是20世紀(jì)70－80年廣為應(yīng)用的地震動(dòng)力理論。它的發(fā)展除了基于60年代以來(lái)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展外，人們對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)在地震作用下的線(xiàn)性與非線(xiàn)性反應(yīng)過(guò)程有了較多的了解，同時(shí)隨著強(qiáng)震觀(guān)測(cè)臺(tái)站的不斷增多，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也不斷增多。進(jìn)一步動(dòng)力理論也稱(chēng)地震時(shí)程分析理論，它把地震作為一個(gè)時(shí)間過(guò)程，選擇有代表性的地震動(dòng)加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入，建筑物簡(jiǎn)化為多自由度體系，計(jì)算得到每一時(shí)刻建筑物的地震反應(yīng)，從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。

二、 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本方法

減少地震能量輸入。積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，要求進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形能力滿(mǎn)足在預(yù)期的地震作用下的變形要求。除了驗(yàn)算構(gòu)件的承載力外，要控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比；根據(jù)構(gòu)件變形與結(jié)構(gòu)位移關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；并根據(jù)截面達(dá)到的應(yīng)變大小及應(yīng)變分布，確定構(gòu)件的構(gòu)造要求。對(duì)于高層建筑，選擇堅(jiān)硬的場(chǎng)地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯(cuò)開(kāi)地震動(dòng)卓越周期，可防止共振破壞。推廣使用隔震和消能減震設(shè)計(jì)。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)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動(dòng)隔震、懸吊隔震等措施，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，減少地震能量輸入，減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，是一種很有前途的防震措施。提高結(jié)構(gòu)阻尼，采用高延性構(gòu)件，能夠提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減輕地震作用，減小樓層地震剪力。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，地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。在高層建筑的方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)材料選用也很重要?？梢詫?duì)材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度進(jìn)行分析，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。從抗震角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系的抗震等級(jí)，其實(shí)質(zhì)就是在宏觀(guān)上控制不同結(jié)構(gòu)的廷性要求。這要求我們應(yīng)根據(jù)建設(shè)工程的各方面條件，選用符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)類(lèi)別。

三、正確認(rèn)識(shí)高層建筑的受力特點(diǎn)，選擇合理的結(jié)構(gòu)類(lèi)型高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線(xiàn)性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。

從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來(lái)自任何方向，當(dāng)為均布荷載時(shí)，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當(dāng)為均布荷載時(shí)，側(cè)移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。高層建筑有上述的受力特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中在滿(mǎn)足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，使之在特定的物資和技術(shù)條件下，具有良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有整體自重輕，強(qiáng)度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面相對(duì)較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較長(zhǎng)時(shí)，易發(fā)生共振。與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，空間整體性好，造價(jià)低及材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)各類(lèi)建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其突出缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長(zhǎng)，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較短時(shí)，易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用何種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)取決于所有結(jié)構(gòu)體系和材料特性，同時(shí)取決于場(chǎng)地土的類(lèi)型，避免場(chǎng)地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴(yán)重。

四、 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

由于高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì)，使建筑物達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達(dá)到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來(lái)吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長(zhǎng)越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。對(duì)于框架———剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強(qiáng)墻弱梁”的原則加強(qiáng)墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

綜合上述，只有通過(guò)了高層建筑的受力特性、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、抗震性能等多方面的概念設(shè)計(jì)，從而更加有效地構(gòu)造出新的措施與計(jì)劃，完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。