淺談高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

馬一鳴 李 紅

（嘉興市天華城建設(shè)計院有限公司，浙江 嘉興 314000）

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震等級的一般規(guī)定

震級是表示地震強(qiáng)度所劃分的等級，我同地震劃分為六級：小地震3級，有感地震3～4.5 級，中強(qiáng)地震 4.5～6 級，強(qiáng)烈地震 6～7級，大地震7～8級，大于8級的為巨大地震。地震烈度是國家主管部門根據(jù)地理、地質(zhì)和歷史資料，經(jīng)利學(xué)勘查和驗證，對我國主要城市和地區(qū)進(jìn)行的抗震設(shè)防與地震分組的經(jīng)驗數(shù)值，是地域概念?？拐鹪O(shè)防類別分為甲、乙、丁類建筑，全國大部分地區(qū)的房屋抗震設(shè)防烈度一般為8度(抗6級地震)?？拐鸬燃壥窃O(shè)計部門依據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，按“建筑物重要性分類與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)”，根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度等，而采用不同抗震等級進(jìn)行的具體設(shè)計。以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，抗震等級劃分為四級，以表示其很嚴(yán)重、嚴(yán)重、較嚴(yán)重及一般的四個級別。

建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)其使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁類四個抗震設(shè)防類別。各抗震設(shè)防類別的高層建筑結(jié)構(gòu)，其抗震措施應(yīng)符合下列要求：

甲類、乙類建筑：當(dāng)本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6-8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求；當(dāng)本地區(qū)的設(shè)防烈度為9度時，應(yīng)符合IzL9度抗震設(shè)防更高的要求。當(dāng)建筑場地為I類時，應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震措施。

丙類建筑：應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。當(dāng)建筑場地為I類時，除6度外，應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震措施。

抗震設(shè)計時，多高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應(yīng)符合相應(yīng)的計算和措施要求。

建筑場地為Ⅲ、Ⅳ類時，對設(shè)計基本地震加速度為0.15G和0.30G的地區(qū)，宜分別按抗震設(shè)防烈度8度(0.20G)和9度(0.40G)時各類建筑的要求采取抗震措施。

抗震設(shè)計的多高層建筑，當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時，地下一層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級，地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍；地下室中超出上部主樓范圍且無上部結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。9度抗震設(shè)計時，地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級不應(yīng)低于二級。

抗震設(shè)計時、與主樓連為整體的裙樓的抗震等級不應(yīng)低于主樓的抗震等級；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時，宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱，或采用高強(qiáng)度混凝土柱。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本方法

減少地震能量輸入。積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，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。除了驗算構(gòu)件的承載力外，要控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比；根據(jù)構(gòu)件變形與結(jié)構(gòu)位移關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；并根據(jù)截面達(dá)到的應(yīng)變大小及應(yīng)變分布，確定構(gòu)件的構(gòu)造要求。對于高層建筑，選擇堅硬的場地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯開地震動卓越周期，可防止共振破壞。

推廣使用隔震和消能減震設(shè)計。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)件在地震時進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震、懸吊隔震等措施，改變結(jié)構(gòu)的動力特性，減少地震能量輸入，減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，是一種很有前途的防震措施。提高結(jié)構(gòu)阻尼，采用高延性構(gòu)件，能夠提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減輕地震作用，減小樓層地震剪力。隨著社會的不斷發(fā)展，對各種建筑物和構(gòu)筑物的抗震減震要求越來越高，地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。

在高層建筑的方案設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)材料選用也很重要?？梢詫Σ牧蠀?shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度進(jìn)行分析，改變過去對結(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)性及烈度等級界限的隨機(jī)性與模糊性對結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。從抗震角度來說，結(jié)構(gòu)體系的抗震等級，其實質(zhì)就是在宏觀上控制不同結(jié)構(gòu)的廷性要求。這要求我們應(yīng)根據(jù)建設(shè)工程的各方面條件，選用符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)實用的結(jié)構(gòu)類別。

3 正確認(rèn)識高層建筑的受力特點，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型

高層建筑從本質(zhì)上講是一個豎向懸臂結(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，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)為均布荷載時，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，同時要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使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)。

高層建筑有上述的受力特點，因此設(shè)計中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實可行的結(jié)構(gòu)類型，使之在特定的物資和技術(shù)條件下，具有良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結(jié)構(gòu)類型主要有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有整體自重輕，強(qiáng)度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點，并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結(jié)構(gòu)。其缺點是造價相對較高，當(dāng)場地土特征周期較長時，易發(fā)生共振。與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，空間整體性好，造價低及材料來源豐富等優(yōu)點，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其突出缺點是結(jié)構(gòu)自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當(dāng)場地土特征周期較短時，易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用何種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)取決于所有結(jié)構(gòu)體系和材料特性，同時取決于場地土的類型，避免場地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴(yán)重。

4 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設(shè)計，使建筑物達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達(dá)到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使節(jié)點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強(qiáng)節(jié)點的構(gòu)造措施。

對于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強(qiáng)墻弱梁”的原則加強(qiáng)墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

結(jié)束語

通過了高層建筑的受力特性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、抗震性能等多方面的概念設(shè)計，從而更加有效地構(gòu)造出新的措施與計劃，完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

[1]GB5001 1-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[s].

[2]胡慶昌.鋼筋混凝土框架的抗震設(shè)計.北京：地震出版社，1991