新型高層建筑結(jié)構(gòu)與材料的抗震分析和設(shè)計(jì)

章錫鼎 殷繼偉

（沈陽市環(huán)境保護(hù)工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110000）

自從1886年世界上第一棟近代高層建筑——美國芝加哥家庭保險(xiǎn)公司大樓（HomeIuranceBuilding，10層，高 55m）建成以來，至今已有100多年的歷史了。高層建筑不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣化，而且在高度上也有大幅度增長。而一次又一次地震災(zāi)難及教訓(xùn)，警示人們：防震減災(zāi)任重道遠(yuǎn)，刻不容緩。

從上個(gè)世紀(jì)開始，各國的專家、學(xué)者對(duì)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列研究。進(jìn)入90年代，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)已提到各國建筑設(shè)計(jì)的歷史日程。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)（地震基本烈度6度及其以上的地震區(qū)面積約占全國面積的60%），高層抗震設(shè)計(jì)設(shè)防更是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切的任務(wù)。作為工程抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，高層建筑抗震分析更處于非常重要的地位。

1 樊材料的選用和結(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。

我國高層建筑中常采用的結(jié)構(gòu)體系有：框架、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系，這也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外，特別地震區(qū)，是以剛結(jié)構(gòu)為主，而在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)幾混合結(jié)構(gòu)卻占了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)受較大的考驗(yàn)。鋼結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)越的強(qiáng)度、韌性和延性，強(qiáng)度重量比，總體上看抗震性能好，抗震能力強(qiáng)。

震害調(diào)查表明，鋼結(jié)構(gòu)較少出現(xiàn)倒塌破壞情況。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)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)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移值為基準(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，不僅增加了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，而且效果不大，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。

唐山鋼鐵廠震害調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式總建筑面積（萬㎡）倒塌和嚴(yán)重破壞比例（%）中等破壞比例（%）鋼結(jié)構(gòu)3.6709.3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 4.0623.247.9砌體結(jié)構(gòu)3.0941.220.9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)在我國鋼材產(chǎn)量已居世界前列，建筑鋼材的類型及品種也在逐漸增多，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，建議盡可能采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)（SRC）、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（CFS）或鋼結(jié)構(gòu)（S或），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)量較輕而且較柔，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。工程經(jīng)驗(yàn)表明：利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右，由于柱截面減小而相應(yīng)增加使用面積，鋼材消耗指標(biāo)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相近，而工程造價(jià)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比可降低15%左右，工程施工工期縮短1/2.此外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)顯示出良好的延性和韌性。

1995 年日本阪神地震震害說明，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，建議使用后者。

2 關(guān)于新型結(jié)構(gòu)與材料的探討和應(yīng)用

2.1 脊骨結(jié)構(gòu)（inestructure）特別適用于具有高大門廳、空曠地下車庫，頂部階梯式的高層建筑。脊骨結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑布置條件可由支撐、外伸框架或單跨空腹梁構(gòu)成，可采用全鋼或鋼筋混凝土組合體系。由于抗側(cè)力構(gòu)件沿高度連續(xù)，避免了薄弱樓層，有利于結(jié)構(gòu)抗震，保證剛度和穩(wěn)定的抗側(cè)力構(gòu)件是高層建筑的脊骨，包括豎向構(gòu)件抵抗由傾覆力矩引起的軸力及由對(duì)角支撐或剛性連接的構(gòu)件或抗側(cè)力的墻組成剪離膜（Shearmembrane），一個(gè)脊骨結(jié)構(gòu)包括位于建筑外端少數(shù)鋼、混凝土或組合巨型柱，這些柱不應(yīng)影響各樓層的使用。

巨型柱由支撐、空腹桁架或剛性連接的外伸框架梁連接成為一個(gè)脊骨結(jié)構(gòu)，以下是脊骨結(jié)構(gòu)組成的幾個(gè)要點(diǎn)。

（1）.為了有效的抗傾覆力矩及剪力，脊骨結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是上下貫通的。

（2）.為了有效的抗傾覆力矩，巨型柱相距越遠(yuǎn)越好。

（3）.脊骨結(jié)構(gòu)主軸應(yīng)與結(jié)構(gòu)主軸相重合。

（4）.樓板結(jié)構(gòu)應(yīng)能直接將樓層荷載傳到巨型柱以提高抗傾覆能力。

（5）.脊骨結(jié)構(gòu)在平面上包括的面積應(yīng)能提供良好的抗扭剛度，否則應(yīng)附設(shè)周邊框架。

（6）.剪力膜（空腹梁、支撐、剛性連梁及作為脊骨的豎向構(gòu)件）應(yīng)不影響地下空間（車庫）并應(yīng)與建筑設(shè)計(jì)相適應(yīng)。

2.2 剪力膜的三種型式：

帶支撐框架（Bracedframe），巨型柱由跨過多層的對(duì)角支撐連在一起。帶外伸框架的支撐筒體（BracedcorewithoutriggerFrame）。

單跨空腹梁（FreeaingVierendeels）。不論是風(fēng)力控制或地震力控制的高層建筑，脊骨結(jié)構(gòu)體系都是非常有效的?？捎糜?0層至100層的高層建筑。在國外，脊骨結(jié)構(gòu)已在高層建筑中得到應(yīng)用。如：美國費(fèi)城53層的拜耳大西洋塔樓（BellAtlanticTower）采用全鋼脊骨結(jié)構(gòu)和56層的米尼亞波里斯（Mieapolis）的西北中心（NorthwestCenter）大樓具有多層次階梯形屋頂是采用組合巨型柱脊骨結(jié)構(gòu)。

鋼纖維混凝土是一種性能良好的新型復(fù)合材料，由于鋼纖維阻滯帶基體混凝土裂縫的開展，從而使其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度等較普通混凝土顯著提高，其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善。鋼纖維對(duì)基體混凝土的增強(qiáng)作用隨著纖維的體積含量、長徑比的增大而增大，但在工程實(shí)際中，纖維含量有一定限值，超過這一限值，用一般方法攪拌、成型就有困難。對(duì)于一般常用的鋼纖維混凝土，其體積含量建議取1.0%-2.0%，長徑比建議取值。應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)部位（如柱梁節(jié)點(diǎn)、柱子、扁梁柱節(jié)點(diǎn)、樁基承臺(tái)、屋面板、轉(zhuǎn)換梁、筏形基礎(chǔ)等）。采用鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的框架與普通鋼筋混凝土框架相比，結(jié)構(gòu)的延性提高57%，耗能能力提高130%，荷載循環(huán)次數(shù)提高了15%，在框架梁柱節(jié)點(diǎn)采用鋼纖維混凝土可代替部分箍筋，既改善了節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗震性能，又解決了鋼筋過密，施工困難等問題。鋼釬維幾何參數(shù)參考范圍表3鋼纖維混凝土工程類別長度（mm）等效直徑長徑比一般澆注鋼纖維混凝土20～600.3～0.930～80鋼纖維混凝土抗震框架節(jié)點(diǎn)35～600.3～0.950～80

結(jié)語:經(jīng)濟(jì)和安全的關(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)狀及國際高層抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)出發(fā)，探求一種新型的結(jié)構(gòu)與材料的應(yīng)用，應(yīng)該成為地震區(qū)高層建筑發(fā)展的新方向。

[1]梁愛莉.對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí).徐州工程學(xué)院【期刊】科技傳播，2009-12-23.