高層建筑結構設計中抗震概念設計的應用探討

王名川

上海交通大學設計研究總院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230002

高層建筑隨著高度的增加，受水平作用的影響越來越大，水平力沿高度近似倒三角形分布，因此高度對結構底部彎矩和頂部側(cè)移的影響非常明顯，地震作用對高層建筑的影響程度遠遠高于對多層建筑。高層建筑混凝土結構在抗震設計時，選擇合理的抗震設計方案，不僅能夠最大限度地改善建筑物的抗震性能，對經(jīng)濟性也會有正面積極的作用。高層建筑抗震設計不可僅依賴于計算，在確定結構平面、豎向布置時，需著重注意抗震概念設計。

1 抗震概念設計

抗震概念設計就是建立一個符合實際情況的建筑力學模型，對其進行計算，然后根據(jù)計算結果及規(guī)范要求設置抗震構造。在設計過程中，驗算結構構件承載力和結構的彈性變形是考慮多遇地震作用效應和其他荷載組合，而驗算結構的彈塑性變形是考慮罕遇地震烈度對應的地震作用效應[1]。

2 高層建筑結構抗震概念設計應用

鑒于抗震概念設計的原則以及地震作用的不可預知等特性，高層建筑結構設計時，需要應用結構抗震概念設計，發(fā)揮其前期引導作用、優(yōu)化結構體系選擇，遵循結構布置原則，進行抗震分析，加強構造措施，從而保證整體結構抗震性能。

（1）發(fā)揮前期作用?？拐鹪O計的本質(zhì)是解決建筑結構的“大震不倒”問題，大多數(shù)結構在大震作用下發(fā)生倒塌的原因并不是地震把建筑物直接晃倒的，而是建筑物在較大的水平作用下，發(fā)生較大的側(cè)移從而引發(fā)P-Δ效應，最終在自重的作用下承載力不足導致結構垮塌。因此大震作用下的結構安全，需要通過前期概念設計和后期抗震構造措施來保證，通過提高結構的延性來耗能，而避免正面硬抗。抗震概念設計能夠綜合考慮地震的不確定性和對建筑物影響的規(guī)律性，確保結構擁有合理的承載力、剛度和延性，把建筑物作為有機整體進行結構設計，理清結構總體系和分體系、分體系和各構件之間的受力特征和相互關系。在開始設計階段，概念設計的應用可以對整體性進行全面構思、比較和選擇，從而快速地比選出較優(yōu)的結構方案，幫助建筑師優(yōu)化功能布局?？拐鸶拍钤O計并不是對復雜結構設計一味地排斥，而是能夠根據(jù)建筑功能的需要，在應對復雜結構時能夠確認目前的結構方案是否已經(jīng)是最佳選擇，不合理的結構體系或者結構布置所帶來后果是否能夠承受，針對已經(jīng)存在的不規(guī)則問題是否有合理的補救或者加強措施，這些措施是否會付出超出預期的代價。結構設計是要對自己設計的結構總體系及各體系之間的相互關系了解透徹，從而設計出既安全又經(jīng)濟的結構，而概念設計在其中發(fā)揮重要作用。

（2）結構體系選擇。結構設計中結構體系的選擇重中之重，受剛度和承載力的不同等因素影響，各種體系的適用范圍是不同的，設計師應針對建筑結構特點，優(yōu)先采用抗震性能優(yōu)越、現(xiàn)場便于施工、經(jīng)濟合理的結構體系。高層建筑的功能、形式和空間的不斷發(fā)展，促使結構體系的不斷創(chuàng)新[2]。

（3）結構布置原則。結構總體布置考慮的是盡量以均勻、對稱的結構布置形式為主。一般情況下，結構布置應遵循以下原則：在符合實際結構的前提下，采用對抗震有利的建筑平面和立面，優(yōu)先選擇規(guī)則的結構和對抗震有利的結構布置；可采用明確的力學模型和數(shù)學模型進行分析研究；結構構件應具有合理、明確的傳力路徑，作用在上部結構的豎向和水平力能夠直接傳遞到地基基礎上；結構應具有盡量多的冗余度和避免連續(xù)倒塌的能力，保障整體結構不會因為局部結構的破壞對整個結構產(chǎn)生嚴重的影響。

（4）抗震計算分析?？拐鹩嬎惴治鍪菍Y構設計方案合理的重要保證，是實現(xiàn)第一水準“小震不壞”要求的前提，也是對抗震設計前述步驟的驗證。建立結構計算的模型時，應首先從工程實際情況和需求點出發(fā)，然后對程序的選用進行適用度分析，在這個過程中，要以結構整體性能和實用性能為前提，避免盲目追求模型的獨特形式。對于開展結構設計工作而言，設計人員應具有扎實的力學理論基礎知識，能夠快速找出傳力路徑并概念準確地對平面計算模型進行比較計算，從而進行精確無誤的計算，合理有效解決復雜的工程問題。

（5）抗震性能化設計。近年來，雖然科學技術和結構設計在不斷發(fā)展，但是地震頻發(fā)產(chǎn)生的破壞性仍然在困擾著所有人，尤其是發(fā)現(xiàn)目前應用的一些抗震設計方法還存在不足和局限。有些抗震設計方法不能保證結構達到預期的延性耗能機制，設計者難以掌握結構在遇到各種類型地震時的實際力學性能變化情況。因此，針對超高層建筑或者多種不規(guī)則情況的特殊建筑，結合性能變化分析從而制定相應的抗震性能目標，采取切實有效的抗震構造措施，才是抗震性能化設計。高層建筑性能化設計已成為一種發(fā)展趨勢，該方法能夠針對整個結構或者某個部位設定合理的性能目標，可以實現(xiàn)針對性的加強結構的關鍵部位和薄弱部位，靈活的設置抗震性能目標并結合實際設置抗震構造，有利于提高整體結構的抗震性能，該方法是解決復雜問題的有效手段之一，也是超高層建筑設計的重要方法[3]。

3 結束語

高層建筑結構抗震設計應進行結構抗震概念設計應用，不能僅僅依靠電算的方式進行抗震設計，必須通過思考和判斷去了解規(guī)范的內(nèi)容，而不是僅僅去滿足最低限值，同時要結合經(jīng)驗、判斷力來主導設計。要做到這一點，結構工程師必須在每個項目的設計實踐中，不懈地追求最佳最優(yōu)，通過比較才能不斷充實自己。從業(yè)人員平時應注重積累設計經(jīng)驗、震害分析等內(nèi)容，從而對提高抗震設計的水平有重要作用。