高層建筑抗震性能化設(shè)計重難點(diǎn)及處理方法的探析

殷 霞 云南建設(shè)學(xué)校土木工程系副高級講師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

我國的高層建筑經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展，不僅在高度上不斷實現(xiàn)突破，為獲得更好的綜合效益，還不斷在完善功能、提升品質(zhì)、創(chuàng)新造型、革新技術(shù)、降低消耗、抗震防災(zāi)等方面提出更高的要求，導(dǎo)致不規(guī)則的、復(fù)雜的、超限的高層建筑結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）新增3.10 節(jié)提出結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計以適應(yīng)發(fā)展的需要。目前，建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)各類建、構(gòu)筑物中，成為解決復(fù)雜抗震問題的有效方法。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計理論的基本內(nèi)容

抗震性能化設(shè)計是基于抗震設(shè)計基本理論，重點(diǎn)突出差異化、抗震性能可量化的更加科學(xué)的設(shè)計方法。針對不同工程的具體情況，基于概念設(shè)計、“多道防線”思想，綜合考慮結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力，協(xié)調(diào)可靠和經(jīng)濟(jì)兩方面的要求，貫徹“多級設(shè)防”思想，加強(qiáng)薄弱部位，提倡“個性化”設(shè)計，靈活運(yùn)用各種結(jié)構(gòu)措施實現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)。抗震性能化設(shè)計基本內(nèi)容包括以下4 個方面，一是確定地震設(shè)防水準(zhǔn)；二是確定抗震性能目標(biāo)；三是確定結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)和計算分析；四是結(jié)構(gòu)抗震性能分析評估和工程研判[1]。本文就高層建筑抗震性能化設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以及設(shè)計中遇到的問題和處理方法進(jìn)行討論。

2 高層建筑抗震性能化設(shè)計的重難點(diǎn)及相應(yīng)處理措施

高層建筑經(jīng)常遇到的設(shè)計問題主要包括，與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度相關(guān)的問題；高度超限的問題；不規(guī)則問題等[2]。與側(cè)向剛度相關(guān)的問題主要有平面兩個方向剛度差異大；豎向剛度突變；剛度分布不合理等。以下不規(guī)則類型需要重點(diǎn)處理，包括因平面不規(guī)則導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；豎向不規(guī)則宜以豎向剛度突變?yōu)橹攸c(diǎn)，加強(qiáng)針對性，其他不規(guī)則類型為輔[3]。針對上述問題，基于力學(xué)的基本原理和抗震設(shè)計的基本原則，從結(jié)構(gòu)整體受力、構(gòu)件間的協(xié)同工作、具體構(gòu)件設(shè)計3 個層面全過程把控，實現(xiàn)建筑抗震性能化設(shè)計目標(biāo)。

2.1 結(jié)構(gòu)整體受力方面

2.1.1 重點(diǎn)控制指標(biāo)及相關(guān)調(diào)整措施

規(guī)范規(guī)定的重點(diǎn)量化控制指標(biāo)有層間位移角、軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期比、剛重比[2]。軸壓比在構(gòu)件層面起到控制構(gòu)件延性的作用，其他指標(biāo)都是從結(jié)構(gòu)整體層面或整體與構(gòu)件間的協(xié)同工作層面發(fā)揮作用。

層間位移角是確保結(jié)構(gòu)整體剛度的宏觀位移控制指標(biāo)，目的是限制結(jié)構(gòu)正常使用條件下的水平位移，避免構(gòu)件產(chǎn)生過大變形或開裂，避免因位移過大導(dǎo)致重力二階效應(yīng)嚴(yán)重而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用，避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)過大的破壞[4]。當(dāng)層間位移角不滿足要求時，需要提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度。受扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，高層結(jié)構(gòu)最大層間位移常出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的邊角部位，減小層間位移最大值可以從減小結(jié)構(gòu)偏心程度、調(diào)整結(jié)構(gòu)平面布置、增強(qiáng)外圍相應(yīng)位置豎向抗側(cè)力構(gòu)件剛度、保證樓板剛度等措施，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)尚應(yīng)重視結(jié)構(gòu)位移計算模型的合理性，采取多種手段驗證對比，檢驗計算的正確性。層間位移角過小則表明結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不夠合理，需要適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的豎向剛度，例如減小墻、柱的截面面積。位移比是控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的位移指標(biāo)，調(diào)整措施與層間位移角的類似。

剪重比又稱為地震剪力系數(shù)，基本周期較長的結(jié)構(gòu)按規(guī)范得到的不同烈度下的地震作用效應(yīng)計算值比實際值小，出于安全考慮規(guī)定了樓層最小地震剪力系數(shù)[2]。剪重比的規(guī)定對各類結(jié)構(gòu)都適用，不受結(jié)構(gòu)形式和阻尼比差異的影響。剪重比與結(jié)構(gòu)周期、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)關(guān)系密切。剪重比不滿足要求需要調(diào)整結(jié)構(gòu)選型或優(yōu)化結(jié)構(gòu)總體布置，增加合理性和安全性；如果底部總剪力滿足、上部少數(shù)樓層（小于等于樓層總數(shù)的15%）不滿足，可以乘以剪力增大系數(shù)；若底部總剪力不滿足要求，需要采取調(diào)整結(jié)構(gòu)選型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、加大豎向抗側(cè)力構(gòu)件截面等措施提高結(jié)構(gòu)總體側(cè)向剛度；所有結(jié)構(gòu)只有在滿足剪重比要求的條件下才能進(jìn)行后續(xù)的各種地震效應(yīng)的計算和進(jìn)行抗震設(shè)計。

剛重比表征高層結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定狀態(tài)，規(guī)范規(guī)定了剛重比的上限和下限，剛重比超過上限較多，表明結(jié)構(gòu)該方向的剛度過大，剛度和重力荷載的關(guān)系不協(xié)調(diào)，應(yīng)采措施適當(dāng)削弱剛度[4]；剛重比大于上限，表明結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，彈性計算分析可以不考慮重力二階效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的不利影響；剛重比在上限和下限之間，則不能忽略重力二階效應(yīng)的影響；剛重比小于下限，表明結(jié)構(gòu)的剛度過小，必須增大結(jié)構(gòu)的剛度保證結(jié)構(gòu)安全；對質(zhì)量和剛度沿豎向分布不均勻，水平荷載分布方式不符合倒三角形分布的情況需要調(diào)整剛重比的計算方法；對整體穩(wěn)定有利的設(shè)計或措施，例如連體高層結(jié)構(gòu)，剛重比限值可以適當(dāng)降低；值得注意的是結(jié)構(gòu)周期比與剛重比相關(guān)，調(diào)整其中一個指標(biāo)都會導(dǎo)致另一個指標(biāo)改變。

周期比表征抗側(cè)力構(gòu)件平面布置的有效性和合理性，可以避免結(jié)構(gòu)在罕遇地震下出現(xiàn)比側(cè)移效應(yīng)更加不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期比不滿足要求，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體剛度平面布置，保證樓板的水平剛度，增大外圍剛度，削弱內(nèi)部剛度，使剛度布局更合理，具體處理措施包括增大周邊柱、剪力墻的截面或數(shù)量；增大外圍梁的高度或?qū)挾?；在建筑平面凹槽處增設(shè)連接梁；減小外圍剪力墻洞口；在中間剪力墻、核心筒上開洞等。

剛度比表征結(jié)構(gòu)豎向布置的合理性和連續(xù)性、避免豎向剛度突變和形成薄弱層，地震作用下的樓層剛度是樓層平均剪力與平均層間位移的比值。剛度比不滿足要求可以采取調(diào)整本層和其上關(guān)聯(lián)樓層的層高、適當(dāng)加強(qiáng)本層或削弱其上關(guān)聯(lián)樓層墻、柱和梁的剛度等措施。

對于結(jié)構(gòu)兩個方向側(cè)向剛度差異大的問題，調(diào)整措施主要為，適當(dāng)增加剛度不足方向的剪力墻數(shù)量和厚度，調(diào)整外圍剪力墻更有效；盡量將剛度不足方向的剪力墻連成筒體，形成多筒體系，避免個別剪力墻厚度過大；在側(cè)向剛度不足的方向采用減震措施，例如設(shè)置屈曲約束支撐（BRB）；對長寬比過大的建筑平面，可以采用雙核心筒結(jié)構(gòu)方案，設(shè)置兩個核心筒協(xié)同受力。

2.1.2 高度超限問題

高度超限是工程師經(jīng)常遇到的抗震設(shè)計問題，調(diào)整措施主要為，在選定結(jié)構(gòu)體系后仍然高度超限的，可以考慮在底部加強(qiáng)區(qū)采用鋼骨—混凝土結(jié)構(gòu)，例如框架柱采用型鋼—混凝土柱，在剪力墻中配置鋼板或型鋼，提高結(jié)構(gòu)延性和承載力；結(jié)合樓電梯間及管井的布置，將核心筒一定數(shù)量的內(nèi)墻設(shè)置為剪力墻，加強(qiáng)核心筒內(nèi)外墻體間相互支承作用，提高核心筒的穩(wěn)定性和整體性等。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)部協(xié)調(diào)機(jī)制方面

2.2.1 多道抗震防線設(shè)計

多道抗震防線設(shè)計是結(jié)構(gòu)抵抗地震動的反復(fù)沖擊，避免倒塌的重要措施，設(shè)計重點(diǎn)是調(diào)整好結(jié)構(gòu)內(nèi)部分體系間剪力分擔(dān)比率及剛度匹配性的關(guān)系，既能使分體系充分發(fā)揮各自的作用，又能使整體有效合理地工作，對于框架—剪力墻、框架—核心筒、框架—支撐體系等，通常將剪力墻的連梁、框架梁和支撐設(shè)定為第一道防線，剪力墻、核心筒和框架協(xié)同抗震為第二道防線[5]。高規(guī)對框架部分的剪力分擔(dān)比率做出了明確規(guī)定，但實際工程中框架往往難以承受按剛度分配的剪力，特別是超高層結(jié)構(gòu)或者設(shè)置了環(huán)帶桁架、伸臂桁架的結(jié)構(gòu)，可以考慮采用直接的剛度貢獻(xiàn)率來評估外框的二道防線能力[4]。

2.2.2 伸臂桁架和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的處理措施

采用框架—核心筒或巨型框架—核心筒體系的超高層建筑通常會在避難層設(shè)置一定數(shù)量的伸臂桁架和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，一方面可以加強(qiáng)核心筒與外框架兩個內(nèi)外分體系間的連接、提高結(jié)構(gòu)的整體性，協(xié)調(diào)二者的受力和變形，控制結(jié)構(gòu)位移；另一方面也會產(chǎn)生局部剛度、變形和剪力嚴(yán)重的突變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，上下層相關(guān)構(gòu)件容易破壞的問題[6]。對于伸臂桁架和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的設(shè)置，需要綜合考察不同地震水平下對結(jié)構(gòu)整體抗震性能有利和不利兩方面的影響，多方驗證，選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案。處理措施為，將設(shè)置了伸臂和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的樓層應(yīng)定義為加強(qiáng)層；豎向支承構(gòu)件提高其抗彎和抗剪承載力，保證足夠的安全度，避免加強(qiáng)層及其上部結(jié)構(gòu)倒塌；伸臂桁架和環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斜腹桿采用屈曲約束支撐作減震處理，可以減小加強(qiáng)層剛度突變，減小主體結(jié)構(gòu)損傷，避免出現(xiàn)軟弱層。

2.2.3 連梁的處理措施

連梁是剪力墻的第一道防線，在協(xié)調(diào)墻肢受力和變形方面發(fā)揮重要作用[5]。在強(qiáng)烈地震作用下連梁先產(chǎn)生塑性鉸，出現(xiàn)剛度退化，從而耗散地震能量，延緩主體墻肢屈服。連梁出現(xiàn)塑性鉸后仍能傳遞彎矩和剪力，不會對墻肢強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生大的影響，但會減弱墻肢間的協(xié)同工作性能。

因此，必須注意保證連梁足夠的剛度和控制其剛度退化進(jìn)程，正常使用狀態(tài)下連梁處于彈性，在罕遇的地震下，連梁先于墻肢屈服。處理措施為，增大連梁的跨高比、適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)整體剛度、提高剪力墻混凝土強(qiáng)度等；部分連梁超限時，在滿足“強(qiáng)剪弱彎”的條件下可采取調(diào)整連梁內(nèi)力的措施；跨高比小于2時，可以配置交叉鋼筋或交叉暗撐提高連梁的抗剪能力。

2.2.4 關(guān)于樓板剛性的問題

樓板的剛性在保證結(jié)構(gòu)空間整體性、約束豎向構(gòu)件協(xié)同工作、傳遞豎向荷載和水平作用、協(xié)調(diào)變形和形成抗側(cè)剛度等方面有重要作用[6]。合理考慮樓板協(xié)調(diào)能力是關(guān)系結(jié)構(gòu)水平剛度的一個重要問題，特別是平面細(xì)腰結(jié)構(gòu)。處理措施為，盡量保證高層建筑樓面的完整性和剛度，樓板開洞符合規(guī)則性和開洞率的要求；要求樓板的承載力在設(shè)防地震作用下不屈服，在罕遇地震作用下不應(yīng)發(fā)生受拉破壞；被削弱的樓板可以采取提高混凝土強(qiáng)度等級、加厚樓板并采用雙層雙向配筋，增大相關(guān)梁的截面尺寸、提高配筋率等補(bǔ)強(qiáng)措施。

2.3 構(gòu)件設(shè)計方面

高層結(jié)構(gòu)在抗震性能方面將構(gòu)件區(qū)分為：關(guān)鍵構(gòu)件、一般構(gòu)件、耗能構(gòu)件，在采取基本抗震措施的前提下，根據(jù)工程的具體情況確定“個性化”的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。

2.3.1 豎向構(gòu)件的軸壓比

高層結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件主要指框架柱、剪力墻和核心筒，是保證大震下豎向荷載傳遞路徑的重要構(gòu)件，限制其軸壓比可以在保證結(jié)構(gòu)延性的同時提高承載力和整體抗倒塌能力。減小軸壓比的措施有以下幾種方式。提高構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級、增大截面、加強(qiáng)柱箍筋（全高采用復(fù)合螺旋箍筋或減小箍筋肢距和間距）、底部柱內(nèi)附加芯柱、底部剪力墻內(nèi)設(shè)置鋼骨（鋼板、鋼管或型鋼）、加強(qiáng)剪力墻邊緣構(gòu)件等。

2.3.2 關(guān)鍵構(gòu)件

關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和耗能機(jī)制綜合確定，并控制其數(shù)量。應(yīng)提高受力較大且需要參與耗能的關(guān)鍵構(gòu)件的延性；提高受力較大且容易發(fā)生連續(xù)破壞的關(guān)鍵構(gòu)件的承載力，并保證延性；底部加強(qiáng)區(qū)則要求抗彎屈服先于抗剪屈服[6]；剪力墻通過減小軸壓比保證其屈服后仍具有較好的延性；提高水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件及與其相連的豎向支承構(gòu)件、連體結(jié)構(gòu)的連接體及與其相連的豎向支承構(gòu)件、懸挑結(jié)構(gòu)的主要懸挑構(gòu)件等關(guān)鍵構(gòu)件的抗彎和抗剪承載力，保證結(jié)構(gòu)安全；加強(qiáng)層伸臂和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)、平面形狀不規(guī)則區(qū)域、角部等位置的豎向支承構(gòu)件因受力復(fù)雜應(yīng)著重保證其延性，可采用減小軸壓比或提高配筋率的措施；加強(qiáng)弱連接處的樓板及框架梁的剛度、抗拉和抗剪承載力，采取提高混凝土強(qiáng)度等級、樓板加厚并采用雙層雙向配筋，增大框架梁的截面尺寸、提高配筋率等措施。

2.3.3 耗能構(gòu)件

耗能構(gòu)件主要是指框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—核心筒結(jié)構(gòu)的連梁、框架梁等。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求實現(xiàn)在罕遇地震下連梁、剪力墻、框架梁、框架柱依次損壞的順序。高層結(jié)構(gòu)在罕遇地震下連梁上首先形成塑性鉸、實現(xiàn)耗能，同時仍具有一定的剛度、繼續(xù)傳遞內(nèi)力和約束墻肢的能力，使剪力墻能保持足夠的強(qiáng)度和剛度。因此，連梁在正常狀態(tài)和小震下應(yīng)處于彈性，大震時進(jìn)入彈塑性，重點(diǎn)保證連梁的延性。具體措施包括，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算時，地震作用下折減連梁剛度、正常狀態(tài)下不折減、位移計算不折減；提高連梁的混凝土強(qiáng)度等級；全長加密連梁的箍筋；墻體水平分布鋼筋在連梁范圍內(nèi)拉通；跨高比不大于2 的連梁宜增配對角斜向鋼筋；對跨高比不大于1 的宜增置交叉暗撐；多數(shù)連梁超限，宜增大連梁的跨高比，適當(dāng)降低整體剛度； 部分連梁超限 ，在滿足“強(qiáng)剪弱彎”的條件下可以調(diào)整連梁內(nèi)力等?？蚣懿糠值目蚣芰鹤鳛楹哪軜?gòu)件，塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，但為保證建筑整體安全性，梁的剛度不允許降低過大、不允許退出工作[6]。研究表明，框架梁的損壞先從中下部樓層開始并逐步向上發(fā)展，但多數(shù)損壞程度不大，少量出現(xiàn)中重度損壞，原因是設(shè)計時將梁和周邊樓板分開，未充分考慮樓板的協(xié)同受力和剛度貢獻(xiàn)，與實際情況有出入。因此應(yīng)考慮樓板剛度，適當(dāng)減小梁的縱筋配筋量，增加箍筋配筋量，提高框架梁的耗能能力。

3 結(jié)語

當(dāng)前各種超限復(fù)雜高層建筑層出不窮，對于工程師而言，做好這些建筑的抗震設(shè)計是不小的挑戰(zhàn)。運(yùn)用性能化設(shè)計方法，確定合理的抗震性能目標(biāo)和結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)、遵守力學(xué)基本原理和概念設(shè)計的基本原則，貫徹優(yōu)先把控整體，其次再深入到構(gòu)件的承載力、變形和細(xì)部構(gòu)造等細(xì)節(jié)，通過恰當(dāng)?shù)赜嬎悴扇∠嚓P(guān)措施，綜合考慮提高結(jié)構(gòu)（局部）或構(gòu)件的變形能力和承載能力，可以在實現(xiàn)抗震性能目標(biāo)的同時獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。