高層建筑結(jié)構(gòu)中抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

傅愛華　孫旺

摘要：如何實(shí)現(xiàn)高層建筑的良好抗震性能是一項(xiàng)至關(guān)重要的問題。本文對如何實(shí)現(xiàn)城市高層建筑的最優(yōu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了自己的建議，并且以上海金融中心為例進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：抗震優(yōu)化；高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU352.1 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674—3024（2017）06—0085—02

引言

在高層建筑的施工過程中，如何實(shí)現(xiàn)其良好的抗震性能是一項(xiàng)至關(guān)重要的部分，同時(shí)也是每一位結(jié)構(gòu)工程師所關(guān)注的問題。地震的產(chǎn)生會(huì)對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅，因此，實(shí)現(xiàn)高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

1如何進(jìn)行最優(yōu)的城市高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

1.1合理選擇結(jié)構(gòu)體系?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系通常都是由若干個(gè)延性比較好的分體系共同組成的，并且使每一個(gè)延性比較好的構(gòu)件連接在一起進(jìn)行協(xié)同工作。比如框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，就是由多肢或者雙肢剪力墻體系、剪力墻以及延性框架組成。

1.2減小在地震過程中能量的輸入并且裝置消除能量的減震構(gòu)件。在發(fā)生強(qiáng)烈的地震之后，一般都會(huì)伴隨有多次的余震發(fā)生。如果只設(shè)置一道防線，那么在受到第一次的破壞之后，如果再遭受到余震的破壞，那么就會(huì)因?yàn)閾p傷的積累而發(fā)生倒塌。在抗震結(jié)構(gòu)體系的建設(shè)過程中，應(yīng)該設(shè)置最大可能數(shù)量的外部和內(nèi)部的冗余度，并且專門建立屈服區(qū)。確保主要耗能部件的剛度以及延性能夠滿足抗震的需要，使其能夠?qū)⒌卣鹚a(chǎn)生的能量耗散并且吸收掉，使得結(jié)構(gòu)的抗震能力得到提升，防止在發(fā)生大地震時(shí)發(fā)生倒塌現(xiàn)象。

1.3對地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行控制，限制層間位移。要使得建筑的剛度以及質(zhì)量的變化盡量做到均勻。如果建筑的質(zhì)量以及剛度分布的不對稱，那么就極易在發(fā)生水平地震時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)震動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該嚴(yán)格的控制其質(zhì)量以及剛度的分布，實(shí)施必要的構(gòu)造措施。

2實(shí)例剖析

地處浦東陸家嘴的上海環(huán)球金融中心，建筑為地下3層，地上101層，其主樓的建筑面積是252935平方米，裙房的面積是33370平方米，地下室的面積是63751平方米；是一座集多種功能于一身，智能先進(jìn)的摩天大廈。建成后的高度為492米，對其的設(shè)計(jì)建造屬于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。通過有效的結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)以及對模型設(shè)計(jì)的完善，增加了結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2.1龐大的基礎(chǔ)。上海金融中心以樁筏為基礎(chǔ)形式，在塔樓基礎(chǔ)中使用了4.5米厚的底板，對將近240根樁的樁頂施加臨時(shí)的鋼柱。在對地下室進(jìn)行逆作法施工的過程中會(huì)用到這些鋼柱，在這些鋼柱中有一些被包上混凝土作為永久柱。使用厚度在1米左右的地下連續(xù)墻作為地下室的外墻。原有設(shè)計(jì)的樁基施工在1997年到1998年之間已經(jīng)完成了，新設(shè)計(jì)的大樓單位總質(zhì)量跟原方案相似。因此，新大樓可以在現(xiàn)有的樁基上進(jìn)行建設(shè)，因?yàn)楝F(xiàn)有樁基的制約，因此就需要在新的結(jié)構(gòu)方案中使用由翼墻、交叉剪力墻以及周邊剪力墻組成的傳力體系，達(dá)到將由核心筒剪力墻所承受的荷載向主樓的四角傳遞的目的。

2.2巨型結(jié)構(gòu)體系。巨型結(jié)構(gòu)體系是由處于建筑物的各個(gè)角落中的巨型柱以及對巨型柱進(jìn)行連接的巨型支撐所構(gòu)成。其對于建筑物的重力荷載具有十分重要的承擔(dān)作用。巨型柱屬于鋼骨混凝土的組合結(jié)構(gòu)，在鋼骨的截面處會(huì)使用焊接組合截面或者是熱軋型鋼。在建筑物的每一個(gè)角落中都會(huì)有巨型柱分布，他們能夠?qū)Φ卣鹚a(chǎn)生的側(cè)向荷載起到抵抗的作用。在巨型柱中埋置的鋼結(jié)構(gòu)，能夠?qū)扌椭嗡鶄鱽淼暮奢d起到很好的承受作用，之后再將這些荷載向巨型柱中的鋼筋混凝土部位擴(kuò)散。這些巨型柱也能夠承受帶狀桁架所傳遞過來的反力。同時(shí)，巨型柱還能夠承擔(dān)至少十層的帶狀桁架、組合樓面及鋼結(jié)構(gòu)的自重荷載。鋼管混凝土是巨型斜撐的主要結(jié)構(gòu)，由兩塊水平的連接腹板以及兩塊大型的豎向的翼緣板來組成箱形截面。在節(jié)點(diǎn)處的所有的設(shè)計(jì)荷載都將由翼緣板來承受，所以可以將所有需要連接到斜撐的構(gòu)件連接到翼緣板上，這樣連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)得到了簡化。與此同時(shí)，箱形鋼管混凝土增加了結(jié)構(gòu)的阻尼以及剛度，因此減少了澆筑時(shí)模板的使用，并且對于薄鋼板的彎曲也能夠進(jìn)行有效的預(yù)防。巨型斜撐不但能夠抵御側(cè)向的荷載，還能夠承受由周圍的柱子所傳遞過來的重力荷載。

2.3優(yōu)化的抗震設(shè)計(jì)。在對環(huán)球中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，以中國規(guī)范以及部分的美國規(guī)范作為依據(jù)，以鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)作為其結(jié)構(gòu)主體，主要具有如下特點(diǎn)：使用三重結(jié)構(gòu)體系來對抗水平荷載，該三重結(jié)構(gòu)體系為帶狀桁架、巨型斜撐以及巨型柱組成的三維框架結(jié)構(gòu)、伸臂鋼桁架和核心筒結(jié)構(gòu)。沿著結(jié)構(gòu)高度的方向，核心筒不連續(xù)，并且在77到78層以及56到68層進(jìn)行了核心筒的二次轉(zhuǎn)換，在連接部位具有非常復(fù)雜的構(gòu)造。在沿著結(jié)構(gòu)高度的方向上設(shè)置的三道伸臂桁架都沒有在核心筒當(dāng)中貫通。在1到5層沿著建筑的四周設(shè)置了周邊剪力墻，在第6層將周邊剪力墻改為巨型柱。在結(jié)構(gòu)高度上每12層就會(huì)設(shè)置一道一層高的帶狀桁架。在三維巨型框架當(dāng)中，使用了單向斜撐。

根據(jù)我國的有關(guān)規(guī)定，當(dāng)建筑物的總高度大于鋼筋混凝土的簡體結(jié)構(gòu)的最大高度160米以及其最大的190米的限值的時(shí)候，這個(gè)結(jié)構(gòu)在遇到7度中震地震的時(shí)候基本不會(huì)改變其結(jié)構(gòu)的自振頻率，基本上處于彈性階段。當(dāng)遇到8度大震的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生局部的混凝土壓碎或者是開裂的現(xiàn)象，但基本上還能夠維持結(jié)構(gòu)不倒塌。通過綜合的研究表明，該結(jié)構(gòu)能夠滿足大震不倒、中震可修、小震不壞的抗震需求。所以，上海的環(huán)球金融中心具有很強(qiáng)的抵抗地震的能力。

3總結(jié)

改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)以變形和材料為主的設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變。通過長期的不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善對于高層建筑的抗震能力的提升。