任曉麗 崔仲和

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和社會(huì)不斷進(jìn)步，建筑物的高度越來越高，體型越來越復(fù)雜，如何提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)，本文重點(diǎn)介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則和基本方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TU208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》提出三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。具體設(shè)計(jì)過程中是通過二階段設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。

第一階段設(shè)計(jì)，按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，以及在小震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性變形；第二階段設(shè)計(jì)，在大震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，以滿足第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求。第二水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)是以抗震構(gòu)造措施來保證的。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則

1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能；結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，強(qiáng)底層柱（墻）的原則，對(duì)結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位采取提高抗震能力的措施。

2、盡可能設(shè)置多道抗震防線；一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作，強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如果只設(shè)一道防線，結(jié)構(gòu)在第一次破壞之后再遭受余震，將會(huì)因?yàn)閾p傷積累而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。

3、適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系；在抗震設(shè)計(jì)中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較強(qiáng)，會(huì)造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對(duì)薄弱，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，使有效屈服保持較長(zhǎng)階段，保證結(jié)構(gòu)延性。在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)控制薄弱層，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

抗震措施

在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，除了要考慮概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算外，歷次地震后在限制建筑提高結(jié)構(gòu)延性方面總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)也至關(guān)重要。當(dāng)前，在抗震設(shè)計(jì)中從概念設(shè)計(jì)，抗震驗(yàn)算，構(gòu)造措施三方面入手建立設(shè)計(jì)地震力與結(jié)構(gòu)延性要求相互影響的雙重設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法，并通過一些結(jié)構(gòu)措施如隔震措施。效能減震措施等來減少結(jié)構(gòu)上的地震作用，使建筑結(jié)構(gòu)在地震中保持良好的抗震性能。目前，強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件在提高結(jié)構(gòu)延性方面的作用已得到普遍認(rèn)可。

高層建筑抗震方法

針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，分別從以下幾個(gè)方面考慮抗震設(shè)計(jì)：

地基選擇：高層建筑應(yīng)該選擇位于開闊平坦地帶的堅(jiān)硬土場(chǎng)地或者密實(shí)均勻的中硬土場(chǎng)地，遠(yuǎn)離河岸，避開不利地形，避免在斷層，山崖，滑坡，地陷等抗震危險(xiǎn)地段建造高層建筑。

有利的房屋體型：一棟房屋的動(dòng)力特性基本取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就從根本上保證了結(jié)構(gòu)良好的抗震性能?？拐鹦阅芰己玫姆课菥哂幸幌绿攸c(diǎn)：平面形狀簡(jiǎn)單對(duì)稱，立面變化均勻，房屋高度合適，房屋高寬比適中，基礎(chǔ)埋深滿足要求，防震縫設(shè)置合理。

合理的結(jié)構(gòu)布置：高層建筑結(jié)構(gòu)平面宜簡(jiǎn)單規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，避免結(jié)構(gòu)因?yàn)橘|(zhì)心和剛心不重合導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)明顯，甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)因?yàn)橐粋?cè)結(jié)構(gòu)失效而倒塌。結(jié)構(gòu)豎向體型宜規(guī)則均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐步均勻變化。避免因存在薄弱樓層導(dǎo)致層間位移加大而危及整個(gè)結(jié)構(gòu)安全。

控制結(jié)構(gòu)變形：地震時(shí)建筑物的破壞程度主要取決于主體結(jié)構(gòu)變形的大小。水平地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)各樓層的側(cè)移主要包含四種，整體剪切變形，整體彎曲變形，整體平移，整體轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于不同的的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采取不同措施來控制結(jié)構(gòu)的變形。減小結(jié)構(gòu)側(cè)移的途徑主要有：減小框架的柱距和梁的跨度，采用彎-剪雙重抗側(cè)力體系，設(shè)置剛臂，豎向支撐的交錯(cuò)布置，變平面構(gòu)件為立體構(gòu)件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與抗震，傾斜立面和扭轉(zhuǎn)體型的利用，加大房屋等效寬度等。

確保結(jié)構(gòu)的整體性：地震中，導(dǎo)致房屋破壞的因素有一下三種類型：結(jié)構(gòu)喪失整體性，構(gòu)件強(qiáng)度不足，地基不均勻沉陷。其中第一種后果最為嚴(yán)重。為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性，保證構(gòu)件間的可靠連接，提高結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的未來發(fā)展趨勢(shì)

1、動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法

動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法是把現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間理論應(yīng)用到高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問題中，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程，引入速度與位移為為狀態(tài)變量，導(dǎo)出狀態(tài)方程，給出非齊次方程的解，進(jìn)而建立狀態(tài)空間迭代計(jì)算格式。經(jīng)過工程實(shí)例驗(yàn)算，動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法對(duì)多自由度體系的多輸入、多輸出問題的動(dòng)力響應(yīng)解法效率較高，具有比較高的精度。

基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是一種全新概念的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，它要求進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形能力滿足在預(yù)期的地震作用下的變形要求。除了驗(yàn)算構(gòu)件的承載力外，還要控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限制或位移延性比。

基于位移的抗震設(shè)計(jì)第一步首先要研究簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的構(gòu)件變形與配筋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)按變形要求進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，進(jìn)而研究整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性后的變形與構(gòu)件變形之間的關(guān)系，基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度分析

材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度分析綜合考慮了地震烈度的隨機(jī)性及模糊性、烈度等級(jí)界限的隨機(jī)性與模糊性、對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度影響的材料參數(shù)變異性，改變了過去對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的研究只是單純考慮荷載的不確定性而忽略了其他不確定性因素。材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度分析的研究成果可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)并對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震可靠度評(píng)估。

隔震和消能減震設(shè)計(jì)的推廣和應(yīng)用

目前，世界各國(guó)普遍采用的傳統(tǒng)抗震體系只是適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)的剛度，但是容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，這種抗震體系也稱“延性結(jié)構(gòu)體系”，這種體系具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，但是在很多情況延性結(jié)構(gòu)體系具有一定的局限性。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和理論越來越難以滿足要求，而由于隔震和效能減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系難以比擬的優(yōu)越性，在未來的建筑結(jié)構(gòu)中將得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)束語

地震是一種隨機(jī)振動(dòng)，具有難于把握的復(fù)雜性和不確定性，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)。經(jīng)濟(jì)和安全是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要因素，隨著社會(huì)進(jìn)步和建筑業(yè)的發(fā)展，對(duì)建筑的抗震設(shè)計(jì)要求也越來越高，如何從我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀出發(fā)，探求一種實(shí)用可行的抗震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為地震區(qū)高層建筑發(fā)展的新方向。