熊偉

【摘 要】由于我國處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切任務(wù)。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)行了簡要介紹，主要分析了我國高層建筑抗震設(shè) 計(jì)中常見問題以及解決方法，最后結(jié)合工程實(shí)踐介紹了抗震分析與設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。以供建筑 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)人員參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)； 問題；趨勢(shì)

A Brief Analysis on the Common Problems of Seismic Design of High - rise Building Structures

Xiong Wei

（Hangzhou Jingwei Architectural Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】As China is in earthquake-prone areas， high-rise building seismic design is the urgent task facing engineering design. In this paper， the main contents of seismic analysis and design of high-rise building structures are briefly introduced. The common problems and solutions of seismic design in high-rise buildings are analyzed. Finally， the new trend of seismic analysis and design is introduced. For building structural seismic design personnel reference.

【Key words】And Rhitheric composition compositions；Decision Us Results Avitherigma walks；Decision32ETs.

1. 前言

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展的。高層建筑 不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣化，而且在高度上也大幅度增長。進(jìn)入上世紀(jì) 90 年代后， 結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)已提到各國建筑設(shè)計(jì)的日程。特別是我國處于地震多發(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。

2. 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高 度大體為線性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑 物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來自任何方向，當(dāng)為均布荷載時(shí)，彎矩與建筑物高 度呈二次方變化。從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當(dāng)為均布荷載高層 混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析陳天華機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院建筑設(shè)計(jì)一院 471039 時(shí)，側(cè) 移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷 載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng) 力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高隨著高度增加所引 起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

3. 高層的結(jié)構(gòu)體系選擇

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)建筑使用功能、房屋高度和高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、 場地類別、地基情況、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)等因素，綜合分析比較，選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系。 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可采用框架、剪力墻、框架—— 剪力墻、筒體和板柱——剪力墻結(jié)構(gòu)體 系。 框架結(jié)構(gòu)可為建筑提供靈活布置的室內(nèi)空間。當(dāng)建筑物層數(shù)較少時(shí)，水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的 影響較小，采用框架結(jié)構(gòu)體系比較合理；框架結(jié)構(gòu)屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，使用高 度受到限制，主要用于非抗震設(shè)計(jì)和層數(shù)相對(duì)較少的建筑中。剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻沿橫向、 縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎 曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度大，在水平力作用下側(cè)向變形小，空間整體 性好。但剪力墻結(jié)構(gòu)自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內(nèi)部大空間的要求。因 此更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數(shù)量， 也可使室內(nèi)無外露梁柱，達(dá)到整體美觀。

（2）框架——剪力墻結(jié)構(gòu)是指在框架結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位增設(shè)一些剪力墻，是剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié) 構(gòu)體系，能提供建筑大開間的使用空間，是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結(jié)構(gòu)體 系中，框架和剪力墻共同承擔(dān)水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須 通過各層樓板使其變形一致，達(dá)到框架和剪力墻的協(xié)同工作。從受力特點(diǎn)看，剪力墻是以彎 曲變形為主，框架是以剪切變形為主，由于變位協(xié)調(diào)，在頂部框架協(xié)助剪力墻抗震，在底部 剪力墻協(xié)助框架抗震，其抗震性能由于較好地發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)而大為提高。因此可以適用 于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。

板柱——剪力墻結(jié)構(gòu)，由于在板柱框架體系中加入了剪力墻或井筒，主要由剪力墻構(gòu)件承 受側(cè)向力，側(cè)向剛度也有很大的提高。這種結(jié)構(gòu)目前在 7、8 度抗震設(shè)計(jì)的高層建筑中有較 多的應(yīng)用，但其適用高度宜低于一般框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。

4. 高層結(jié)構(gòu)的布置

在高層一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則、剛度和承載力分布均勻。 豎向體型宜規(guī)則均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變 化，不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。并應(yīng)符合下列要求：

（1）應(yīng)具有必要的承載能力、剛度和變形能力；

（2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系喪失承受重力、風(fēng)荷載和地震 作用的能力；

（3）對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取有效措施；

（4）結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效 益具有多道抗震設(shè)防。

（5）宜有多道抗震防線。

5. 現(xiàn)行規(guī)范抗震分析與設(shè)計(jì)的內(nèi)容

（1）我國現(xiàn)行抗震規(guī)范要求高層建筑的抗震計(jì)算主要是在多遇地震作用下， 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)行罕遇地震作用下（ 大震） 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

（2）地震作用下的彈塑性變形的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。

（3）結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動(dòng)力分析和彈塑性靜力分析兩大類。彈塑性動(dòng)力分析， 采 用桿模型和層模型等簡化的結(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。

6. 我國高層建筑抗震設(shè)計(jì)中常見問題及其對(duì)策

（1）高度問題。

按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3- 2010）規(guī)定，在一定設(shè)防烈度和一定 結(jié)構(gòu)型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個(gè)適宜的高度。這個(gè)高度是我國目前建筑科研水平、 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平下，較為穩(wěn)妥的，也是與目前整個(gè)土建規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的?？?實(shí)際上，已有許多混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑的高度超過了這個(gè)限制。對(duì)于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采 取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度：一要有專家論證，二要有模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。 在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。因?yàn)殡S著建筑物高 度的增加，許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，如安全 指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。

（2）較低的抗震設(shè)防烈度。

現(xiàn)在許多專家學(xué)者提出，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度已不能適應(yīng)國情的需要，認(rèn)為我國 “取用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度”，并主張“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度水平應(yīng)該 大幅度提高”。此外，對(duì)于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個(gè)抗震設(shè)計(jì)原則，在新形 勢(shì)下也有重新審核的必要。我國現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是比較低的，中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計(jì)基 準(zhǔn)期內(nèi)（50 年）超越概率為 10%的地震烈度。我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除了設(shè)防烈度較低外， 具體抗震計(jì)算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也不如國外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等 一系列保證抗震延性的要求上遠(yuǎn)不如國外嚴(yán)格。隨著社會(huì)財(cái)富的增長，結(jié)構(gòu)失效帶來的損失 愈來愈大，加之結(jié)構(gòu)造價(jià)在整個(gè)投資中的比例下降，因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采 用彈性設(shè)計(jì)。

（3）材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題。

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。我國 150m 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 家高層建筑采用的主要體系。但國外，特別在地震區(qū)，是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而在我國鋼筋混凝 土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了 90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較 大地震作用的考驗(yàn)。在高層建筑中采用框架——核心筒體系，因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少， 又可減少柱子斷面，故常被業(yè)主所看中?；旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)簡往往要承受 80%以上 的震層剪力，有的高達(dá) 90%以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減 小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸 臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或 轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí) 現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí)，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量減小其本身 剛度，減小其不利影響。 在高層建筑中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選?，F(xiàn)在我國鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，建筑鋼 材的類型及品種也在逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地 方，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， 并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在超過一定高度后，由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小而且較柔，為減小風(fēng)振而 需要采用混凝土材料，鋼骨（鋼管）混凝土，通常作為首選。日本阪神地震震害說盟，在鋼 骨混凝土構(gòu)件中，采用格構(gòu)式的型鋼時(shí)，震害嚴(yán)重，采用實(shí)腹式的大型型鋼或焊接工字鋼的， 則震害輕微。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，若用鋼骨混凝土構(gòu)件，建議采用后者。

（4）軸壓比與短柱問題。

在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)中，往往為了控制柱的軸壓比兩使柱的斷面很大，而柱的縱 向鋼筋卻為構(gòu)造配筋。即使采用高強(qiáng)混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比 是為了使柱子處于大偏壓狀態(tài)，防 IE 受拉鋼筋未達(dá)屈服而混凝土被壓碎，柱的塑性變形能 力小，則結(jié)構(gòu)的延性就差。當(dāng)遭遇地震時(shí)，耗散和吸收地震能量少，結(jié)構(gòu)容易被破壞。但是 在框架中若能保證強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，且梁具有良好延性，則柱子進(jìn)入屈服的可能縫就大大減少， 此時(shí)可放松軸壓比限值。另外，許多高層建筑底部幾層柱雖然長細(xì)比小于 4，但并不一定是 短柱。因?yàn)榇_定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2 的柱才是短柱。 我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除了設(shè)防烈度較低外，具體抗震計(jì)算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也 不如國外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上遠(yuǎn)不如國外 嚴(yán)格。隨著社會(huì)財(cái)富的增長， 結(jié)構(gòu)失效帶來的損失愈來愈大， 加之結(jié)構(gòu)造價(jià)在整個(gè)投資中的 比例下降，因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采用彈性設(shè)計(jì)。

7. 抗震分析與設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)

（1）基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)場理論 PBD（Performance- based Design） 方法。

上世紀(jì) 90 年代美國學(xué)者 Bertero.R 和 Bertero.V.V 等研究人員首先明確提出了基于性 能的抗震設(shè)計(jì)概念， 這種方法主要是將結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)轉(zhuǎn)化為破損指標(biāo)和位移需求， 并且 對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了持續(xù)的研究， 并將其作為新一代的抗震設(shè)計(jì)方法。

（2） 材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度分析。

該方法從結(jié)構(gòu)整體性能出發(fā)， 改變過去對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定 性而忽略了其他多種不確定因素， 綜合考慮了材料參數(shù)的變異性， 地震烈度的隨機(jī)性， 烈 度等級(jí)界限的隨機(jī)性與模糊性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。研究成果可用于對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行 抗震可靠度評(píng)估， 并可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

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

這種方法把現(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。根據(jù)結(jié) 構(gòu)動(dòng)力方程， 引入位移與速度為狀態(tài)變量， 導(dǎo)出狀態(tài)方程， 給出非齊次狀態(tài)方程的解， 進(jìn) 而建立狀態(tài)空間迭代計(jì)算格式。經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)算， 具有較高精度。特別對(duì)多自由度體系的多 輸入、多輸出等問題的動(dòng)力響應(yīng)解法， 效率較高。

（4）隔震和消能減震設(shè)計(jì)的推廣和應(yīng)用

目前我國和世界各國普遍采用的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是“延性結(jié)構(gòu)體系”，即適當(dāng)控制結(jié) 構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如梁、柱、墻、節(jié)點(diǎn)等）在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并目具 有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。這種體系，在很 多情況下是有效的，但也存在很多局限性。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)各種建筑物和構(gòu)筑物的 抗震減震要求越來越高，使“延性結(jié)構(gòu)體系”的應(yīng)用日益受到限制，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和 理論越來越難以滿足要求，而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比 擬的優(yōu)越性，在未來的建筑結(jié)構(gòu)中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

8. 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)與安全的關(guān)系，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要技術(shù)政策。從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，如何從我國高層 建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及國際高層建筑抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)出發(fā)，探求一種實(shí)用可行的二步或三 步設(shè)防的合理抗震分析設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該成為地震區(qū)高層建筑發(fā)展的新方向。