高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計

臧 斌

連云港市正恒建設(shè)有限公司，江蘇連云港 222500

20世紀80年代以來，在我國經(jīng)濟快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷提高的推動下，城市建筑的層數(shù)和高度不斷增加，原來越多的高層建筑遍布大小城市。在高層建筑的安全因素中，地震作為一種隨機的、尚不能準確預(yù)見和準確計算的外部作用必須給予充分的考慮。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)，地震基本烈度6度及其以上的可能面積幾乎占到全國面積的60%。所以，高層建筑的抗震抗震性能分析與設(shè)計便成為我們不得不面對的迫切課題。

1 我國高層建筑的抗震性能分析

1.1 高層建筑抗震性能指標與計算

我國目前的高層建筑抗震規(guī)范（GB50021-2001）提出了三個水準的要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。基于這一標準，高層建筑的抗震性能指標設(shè)計基本上是以本地區(qū)今后50年內(nèi)，可能遭遇超越概率為10%的地震烈度為基本烈度，應(yīng)用反應(yīng)譜理論計算地震作用，以極限狀態(tài)方法設(shè)計構(gòu)建，并通過二階段設(shè)計法實現(xiàn)。1）第一階段按小震狀態(tài)作用和相關(guān)載荷效應(yīng)的共同組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)建可承載能力，得到該狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)彈性形變性，滿足第一水準抗震要求；2）第二階段進行大震或罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，達到第三水準抗震目標。由于經(jīng)濟發(fā)展水平和相關(guān)設(shè)計理念的限制，我國高層建筑的結(jié)構(gòu)性能安全度還有待大幅提高，在充分考慮空間作用、非彈性構(gòu)件、材料失效和阻尼變化等因素的前提下，以更科學(xué)、嚴謹?shù)脑O(shè)計與施工確保高層建筑具有足夠的抗震可靠性。

1.2 我國高層建筑的建筑材料和結(jié)構(gòu)體系與國際先進國家存在的差距

我國高層建筑常用框架、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等幾種結(jié)構(gòu)體系，盡管這些在國際先進國家也常常采用，但選擇的材料卻存在差異。在國外發(fā)達地區(qū)，高層建筑普遍以鋼結(jié)構(gòu)為主，而我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)卻占了90%。被建筑商屢屢看中的框架-核心筒體系，用鋼量比鋼結(jié)構(gòu)少，還減少柱子斷面，所以鋼筋混凝土內(nèi)往往要承受80%以上的震層剪力，有可能由于其彎曲變形引發(fā)較大側(cè)移。為了滿足規(guī)范側(cè)移限值，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。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的強度、韌性、延性和強度重量比更優(yōu)越，抗震性能更好，抗震能力更強。

2 提高高層建筑的抗震性能的設(shè)計原則

2.1 選擇合理的高層建筑結(jié)構(gòu)體系

合理選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系，提高高層建筑承載能力、變形能力及消減地震能量能力，是實現(xiàn)建筑物安全性、經(jīng)濟性的基礎(chǔ)。首先，要將抗震概念融匯在高層建筑設(shè)計中，全面考慮建筑物的平立面外形尺寸，抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)量分布，承載力分布等諸多因素，提倡平、立面簡單對稱，構(gòu)建規(guī)則的建筑布置，采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和細部處理，確?？箓?cè)力體系的剛度承載力上下變化連續(xù)、均勻。其次，要對有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形和建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力實施嚴謹?shù)尿炈?。建立起具有良好性能的多重抗震結(jié)構(gòu)框架。主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度的選擇應(yīng)大于規(guī)范的闕值，對結(jié)構(gòu)層間位移實行控制。形成良好的塑性內(nèi)力重分布能力，有效吸收和消耗地震能量所帶來的壓力。第三，遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件、強底層柱（墻）”的原則，對結(jié)構(gòu)承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等性能相對薄弱部位采取輔助措施。

2.2 盡量選擇抗震性能突出的結(jié)構(gòu)材料

從某種意義上講，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震能力，實質(zhì)是不同建筑構(gòu)件在地震來襲時其承載能力與延展能力的集合。這就要求我們在高層建筑中，根據(jù)建筑工程的條件，優(yōu)選抗震性能突出的結(jié)構(gòu)材料。按照抗震性能比較，不同材料的結(jié)構(gòu)類型性能等級排序為：鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋砌體結(jié)構(gòu)。目前我國鋼材產(chǎn)量巨大，供應(yīng)充沛。因此，盡可能采用鋼結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。通過減小柱斷面尺寸，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在高層建筑中還應(yīng)注意選用新型建筑結(jié)構(gòu)和材料，減輕結(jié)構(gòu)自重。在相同地基處理的情況下，利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右，從而降低建筑體的重心，減小地震作用時傾覆力矩，提高建筑體穩(wěn)定性，優(yōu)化其抗震性能。

2.3 構(gòu)設(shè)多道抗震技術(shù)措施

構(gòu)設(shè)有效的技術(shù)措施是提高高層建筑抗震性能的重要因素。1）在建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中保持比較充裕的內(nèi)部、外部冗余度，適當處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強弱關(guān)系，建立一系列分布的屈服區(qū)，使“有效屈服”保持較長階段，吸收和耗散地震能量；2）改變結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震等方式，減少地震能量輸入，減輕地震引發(fā)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)；3）采用新型復(fù)合材料鋼纖維混凝土，阻滯帶基體混凝土裂縫的形成，提高建筑混凝土的抗拉、抗彎、抗剪強度，改善建筑結(jié)構(gòu)的抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性；4）采用鋼管混凝土柱。在鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)中，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋。通過鋼管內(nèi)混凝土受到鋼管側(cè)向約束導(dǎo)致的三向受壓，以及鋼骨本身良好的塑性，提高混凝土的延性、抗壓強度和極限壓應(yīng)變。

由于高層建筑在我們的建筑史較短，還沒有經(jīng)歷過太多地震的考驗，抗震設(shè)防仍然處在摸索階段。所以，我們應(yīng)該清醒認識我國高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究國際高層抗震設(shè)計發(fā)展的趨勢，為提高我國高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力做出應(yīng)有的貢獻。

[1]牛發(fā)民.高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計.建筑設(shè)計管理，2011(7).

[2]張小濤.高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計分析.城市建設(shè)理論研究，2011(9).

[3]梁興文.結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計理論與方法.科學(xué)出版社，2011，3.