論高層建筑抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

余建國

【摘 要】隨著城市化發(fā)展，城市人口密度不斷加大，土地資源日益緊張，高層建筑獲得了前所未有的發(fā)展，各種新型的結(jié)構(gòu)體系在高層建筑工程中得到了廣泛的應用，高層建筑的規(guī)模和高度不斷地突破。高層建筑需要具有一定的抗震能力，這就要求在高層建筑的設計、施工中必須按抗震設防要求和抗震設計規(guī)范進行抗震設防。本文針對高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設計進行研究分析，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

【關鍵詞】高層建筑；抗震；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

地震是地球上主要的自然災害之一，也是危害極大的突發(fā)式自然災害，是地球由于內(nèi)部運動累積的能量突然釋放或地殼空穴頂板塌陷等原因，使巖體劇烈振動，并以波的形式向地表傳播而引起的地面顛簸和搖晃。隨著人們對地震動力特性和結(jié)構(gòu)動力特性理解的不斷加深，結(jié)構(gòu)抗震設計理論從最初的靜力階段和反應譜階段，發(fā)展到動力階段及目前的基于性態(tài)的抗震設計理論階段。高層建筑考慮全系統(tǒng)和全壽命的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，應包括五個層次：一是結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化；二是結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化；三是結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化；四是結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化；五是基于最優(yōu)設防烈度的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的特點

建筑的結(jié)構(gòu)要同時承受垂直荷載和風產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。低層結(jié)構(gòu)的水平荷載對結(jié)構(gòu)影響通常較小，但在高層建筑中，水平荷載和地震作用將成為控制因素。隨著高度的增加，位移增加很快。但是過大的側(cè)移會使人感覺不舒服，從而影響使用，會造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。所以必須將結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制在一定的范圍之內(nèi)，于是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設計成為關鍵。

在高層建筑的設計中，通常采用鋼和鋼筋混凝土兩種材料。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價低，材料來源豐富，可澆注成各種復雜斷面形狀，可組成多種結(jié)構(gòu)體系，可節(jié)省鋼材，承載能力也不低，特別是近年來高強混凝土和超高強混凝土的研制應用，大大提高了混凝土承載力，經(jīng)過合理設計，可獲得較好的抗震性能。因此，我國大都采用鋼筋混凝土建高層建筑，但其主要缺點是構(gòu)件斷面大，占據(jù)面積大且自重大，而鋼材強度高，韌性大，易于加工；高層鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)斷面小，自重輕，抗震性能好，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可在工廠加工，能縮短現(xiàn)場施工工期，施工方便。但是高層鋼結(jié)構(gòu)用鋼量大，造價很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造價。而在發(fā)達國家，大多數(shù)高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)。由于鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)均各有所長，又各有所短，所以更為合理的結(jié)構(gòu)是同時采用鋼和鋼筋混凝土材料的組合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使兩種材料互相取長補短，取得經(jīng)濟合理，技術(shù)性能優(yōu)良的效果，通常鋼與鋼筋混凝土組合于一個結(jié)構(gòu)中有兩種方式。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是結(jié)構(gòu)設計理論的重大發(fā)展。因為同一個設計任務，可以有多種不同的可用的設計方案，從所有可用方案中選出最滿意的方案自然是理所當然的追求，任何情況下“擇優(yōu)而用”是人們無法回避的要求。從結(jié)構(gòu)的宏觀整體出發(fā)，用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的觀點，著眼于結(jié)構(gòu)整體反應，正確處理結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細部構(gòu)造等，以達到合理進行結(jié)構(gòu)設計的目的。對一個結(jié)構(gòu)工程師來說，概念設計能力比精確計算能力對確保結(jié)構(gòu)設計安全可靠功能方面更為重要。

1.結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化

建筑使用對結(jié)構(gòu)功能的要求，對結(jié)構(gòu)的造價影響很大，要求結(jié)構(gòu)具有過高的功能會造成浪費，要求過低會影響整個建筑將來的使用。這是對整個建筑工程項目所形成的結(jié)構(gòu)集合的全局的規(guī)劃問題，它主要決定于工程建成后用戶對工程總的使用功能上的要求，然后在實現(xiàn)總功能要求的目標和有關約束條件下進行對各個結(jié)構(gòu)功能要求的優(yōu)化。例如，對大跨空間結(jié)構(gòu)，最重要的是確定結(jié)構(gòu)所需覆蓋的空間尺寸；對高層建筑，最重要的是確定其高度和每層的空間布局。

2.結(jié)構(gòu)體系選擇的優(yōu)化

決定對各個結(jié)構(gòu)的功能要求之后，就要根據(jù)功能及其他要求為結(jié)構(gòu)選型。高層建筑結(jié)構(gòu)體系選擇是結(jié)構(gòu)設計應考慮的關鍵問題，結(jié)構(gòu)方案的選取是否合理，對安全性和經(jīng)濟性起決定的作用。

（l）結(jié)構(gòu)體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。對于樓屋蓋粱系的布置，應盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱上去；對于豎向構(gòu)件的布置，應盡量使豎向構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的壓應力水平按近均勻，以避免豎向構(gòu)件之間壓應力的二次轉(zhuǎn)移，而垂直重力荷載下豎向構(gòu)件壓應力水平接近均勻是最合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)選擇；對于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的布置，應盡量做到使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來的垂直重力荷載通過轉(zhuǎn)換層一次至多二次轉(zhuǎn)換，即能傳遞到下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件上去；整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)必須體系明確，傳力直接?？箓?cè)力結(jié)構(gòu)一般由框架、剪力墻、簡體、支撐等組成，它們宜盡量貫通連續(xù)，若它們沿豎向要有變化，則變化要緩慢均勻。

（2）結(jié)構(gòu)體系應避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力?？拐鹪O計的一個重要原則是結(jié)構(gòu)應具有必要的贅余度和內(nèi)力重分配的功能，即使地震中部分構(gòu)件退出工作，其余構(gòu)件仍能將豎向荷載承擔下來，避免整體結(jié)構(gòu)失效或失穩(wěn)。

由于對結(jié)構(gòu)的強度、剛度、動力特性、造價、抵御自然災害的能力、美學效應以及其他社會效應的眾多要求，結(jié)構(gòu)選型是一個綜合性很強的決策問題，它要求力學、結(jié)構(gòu)、建筑學、美學、經(jīng)濟學等學科的密切配合才能很好地解決。

3.結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化是先從結(jié)構(gòu)的概念設計入手，使結(jié)構(gòu)的平面布置盡量規(guī)則、對稱，立面和豎向規(guī)則，側(cè)向剛度均勻變化。同時，通過計算和定量分析，對關系到體系整體性能的設計變量，如框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置、框架一剪力結(jié)構(gòu)中的剪力墻的數(shù)量、平面布置和剛度特征值等進行優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)體系應包括具備必要的承載能力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的塑性內(nèi)力重分布能力，能較充分地發(fā)揮吸收和耗散地震能量的作用。在地震作用下，合理的破壞機制應該是框架地震破壞機制，節(jié)點基本不破壞，梁比柱的屈服可能早發(fā)生、多發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜最晚形成?？傊蚣艿目拐鹪O計應使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)的抗震能力。而框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的各墻段的高寬比不宜小于2，使其呈彎剪破壞，且塑性屈服也宜產(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。

4.結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化

在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、拓撲和材科的情況下，求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面，即進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的最小造價設計。

5.基于最優(yōu)設防烈度的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

對抗震結(jié)構(gòu)而言，在決定了結(jié)構(gòu)的類型、布局、拓撲和材料之后，應該對結(jié)構(gòu)的抗震設防水平進行決策，在設防水平?jīng)Q定之后，再進行結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化，這就是基于最優(yōu)設防烈度的抗震優(yōu)化設計。因為抗震設防水平定得太高，就會大大提高結(jié)構(gòu)的造價，而且由于在結(jié)構(gòu)服役期間可能遇不到那樣強烈的地震災害而造成不必要的浪費。相反，如果設防水平定得太低，就可能在地震災害作用下由于結(jié)構(gòu)破壞帶來巨大的經(jīng)濟和生命財產(chǎn)損失，因而對抗震結(jié)構(gòu)設計來說，這也是個重要的決策問題。在方法上，應采用二層次優(yōu)化設計，第一優(yōu)化層次為最優(yōu)設防烈度的決策，第二優(yōu)化層次為按最優(yōu)設防烈度進行結(jié)構(gòu)的最小造價設計。這種優(yōu)化設計思想考慮了多級失效準則，充分利用了建筑場地的地震危險性分析成果，解決了設防烈度針對單體結(jié)構(gòu)而不是針對地區(qū)的問題，并可與現(xiàn)行規(guī)范接軌。

三、結(jié)束語

高層建筑投資大，建設周期長，對其結(jié)合抗震分析進行優(yōu)化設計以期獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案并節(jié)約投資，一直是結(jié)構(gòu)工程師所努力的。希望隨著科技的發(fā)展，結(jié)構(gòu)工程師能結(jié)合更多新技術(shù)、新材料，創(chuàng)造出更為安全舒適的具有抗震結(jié)構(gòu)的高層建筑。