高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)

蘇紅珍 于瓊

摘要：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)。作為工程抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，高層建筑抗震分析處于非常重要的地位。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容進(jìn)行了分析，說(shuō)明了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，并詳細(xì)闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震；減隔震；延性設(shè)計(jì)；材料

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(mǎn)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)彈塑性分析成為抗震設(shè)計(jì)的必要的組成部分。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(wèn)題上，各國(guó)的做法也有所不同。

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范（GB50021-2001）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，即二階段設(shè)計(jì)方法。同時(shí)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(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(lèi)。

（一）彈塑性動(dòng)力分析

采用桿模型和層模型等簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。桿模型計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是可以得到桿件狀態(tài)隨時(shí)間的變化過(guò)程，也可得到各樓層的反應(yīng)。但耗時(shí)多、費(fèi)用昂貴、結(jié)

果數(shù)據(jù)量大且分析比較繁冗，在國(guó)外也極少采用。層模型計(jì)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(yàn)結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性。層模型計(jì)算的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，適宜于進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，也便于計(jì)算多條地震波作用。但無(wú)論是采用桿模型還是層模型進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果受地震波的影響較大且不存在唯一答案，有時(shí)難以判斷。

（二）彈塑性靜力分析方法

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（Push-over Analysis）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(diǎn)。由彈塑性靜力分析，可以了解結(jié)構(gòu)中每個(gè)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(qiáng)柱弱梁（或強(qiáng)剪弱彎），并可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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--預(yù)點(diǎn)側(cè)移”關(guān)系曲線(xiàn)以及“層剪力--層間變形”關(guān)系曲線(xiàn)等等。后者即可作為各樓層的“層剪力--層間位移”骨架線(xiàn)，它是進(jìn)行層模型彈性時(shí)程分析所必須的參數(shù)。只要結(jié)構(gòu)一定（尺寸、配筋、材料），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)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)要求

（一）抗震等級(jí)的確定

1、抗震等級(jí)

是設(shè)計(jì)部門(mén)依據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，按“建筑物重要性分類(lèi)與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)”，根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和房屋高度等，而采用不同抗震等級(jí)進(jìn)行的具體設(shè)計(jì)。以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，抗震等級(jí)劃分為四級(jí)，以表示其很?chē)?yán)重、嚴(yán)重、較嚴(yán)重及一般的四個(gè)級(jí)別。

2、地震烈度

是國(guó)家主管部門(mén)根據(jù)地理、地質(zhì)和歷史資料，經(jīng)科學(xué)勘查和驗(yàn)證，對(duì)我國(guó)主要城市和地區(qū)進(jìn)行的抗震設(shè)防與地震分組的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，是地域概念?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別分為甲、乙、丁類(lèi)建筑，全國(guó)大部分地區(qū)的房屋抗震設(shè)防烈度一般為8度。

（二）抗震措施的要求

1.甲類(lèi)、乙類(lèi)建筑

當(dāng)本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6～8度時(shí)，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求；當(dāng)本地區(qū)的設(shè)防烈度為9度時(shí)，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。當(dāng)建筑場(chǎng)地為Ⅰ類(lèi)時(shí)，應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。

2.丙類(lèi)建筑

應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。當(dāng)建筑場(chǎng)地為I 類(lèi)時(shí)，除6度外，應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震構(gòu)造措施. 按建筑類(lèi)別及場(chǎng)地調(diào)整后用于確定抗震等級(jí)烈度，按調(diào)整后的抗震等級(jí)烈度。

3、抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和房屋高度采用不同的抗震等級(jí)，并應(yīng)符合相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施要求。

4、房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時(shí)，宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱，或采用高強(qiáng)度混凝土柱。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法

（一）減少地震發(fā)生時(shí)能量的輸入

在具體的設(shè)計(jì)中，積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對(duì)具體的方案進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形彈性滿(mǎn)足預(yù)期地震作用力下的變形需求。對(duì)建筑構(gòu)件的承載力進(jìn)行驗(yàn)收的同時(shí)，還要控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移限值；并且根據(jù)建筑構(gòu)件的變形和建筑結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；根據(jù)建筑界面的應(yīng)變分布以及大小，來(lái)確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。對(duì)于高層建筑，在堅(jiān)固的場(chǎng)地上進(jìn)行建筑施工，可以有效減少地震發(fā)生作用時(shí)能量的輸入，從而減弱地震對(duì)高層建筑的破壞。

（二）運(yùn)用高延性設(shè)計(jì)、推廣消震和隔震措施

在我國(guó)，許多高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多采用延性結(jié)構(gòu)，也就是適當(dāng)控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度，允許地震時(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)入到具有很大延性的塑性狀態(tài)，從而消耗地震作用時(shí)的能量，使地震反應(yīng)減小，減弱地震給高層建筑帶來(lái)的破壞。如果某高層建筑的承載能力較小，但是具有較高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因?yàn)檠有詷?gòu)件可以吸收較多的能量，經(jīng)受住很大的結(jié)構(gòu)變形。延性結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，在很多情況下是有效的，它可以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。

進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)建筑物抗振動(dòng)能力的提高做出了巨大的努力，取得了顯著的成果，其中阻尼器的使用在高層建筑的抗震方面有很大的作用。通過(guò)對(duì)使用阻尼器進(jìn)行減震和能量的吸收，可以巧妙地避免或減弱地震對(duì)高層建筑的破壞。

（三）注重抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該得到人們的重視。我國(guó)150米以上的建筑，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。我國(guó)鋼材生產(chǎn)數(shù)量較大，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此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，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，可以從傳統(tǒng)的硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)嵯酀?jì)的目的，有效地減弱地震作用過(guò)程中釋放的沖擊力。

（四）增多抗震防線(xiàn)

高層建筑結(jié)構(gòu)防震可以設(shè)置多道抗震防線(xiàn)，增強(qiáng)對(duì)地震的抵抗力。高層建筑物設(shè)置多層的地震抵抗防線(xiàn)，第一道防線(xiàn)遭到破壞之后，有后備的第二道、第三道甚至更多的防線(xiàn)對(duì)地震的作用力進(jìn)行阻擋，避免高層建筑物的倒塌。高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抵抗地震設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用具有多個(gè)肢節(jié)和壁式框架的“框架剪力墻”等防震結(jié)構(gòu)。

（五）重視建筑材料的選擇

在高層建筑的抗震方案設(shè)計(jì)中，建筑材料的選擇也非常重要。首先，我們可以對(duì)建筑材料的參數(shù)進(jìn)行抗震性能分析，從整體上對(duì)材料的參數(shù)變異性進(jìn)行研究，不能僅考慮建筑材料的承載力而忽略其他因素。從抵抗地震的角度來(lái)講，就是要控制建筑結(jié)構(gòu)的延性需求，這就要求我們從高層建筑建設(shè)施工的各方面來(lái)選擇符合抗震需求而且經(jīng)濟(jì)適用的建筑結(jié)構(gòu)材料。

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