高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計研究

王志成

（中國中輕國際工程有限公司 100026）

0 引言

在高層建筑角度上，因為其高度較大，上部結(jié)構(gòu)因為與地基聯(lián)系不緊密，在抗震性能表現(xiàn)不佳的條件下，在短時間內(nèi)就會出現(xiàn)過快、過大的晃動，隨后就會坍塌，說明高層住戶逃離現(xiàn)場的時間較短，同時高層住戶逃離現(xiàn)場的路線較長，短時間內(nèi)難以實現(xiàn)目的，由此可見高層建筑抗震性能的重要性，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，必須考慮到建筑抗震性能。

1 抗震性能的形成原理

高層建筑抗震性能的形成主要源于三個方面，即結(jié)構(gòu)剛度、整體性、可塑性，下文將對這三個抗震性能的形成因素的具體表現(xiàn)進(jìn)行分析。

1.1 結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)剛度是指建筑在受到外力沖擊時，其對應(yīng)產(chǎn)生的抵抗力，可以將其視為“硬度”，如果建筑結(jié)構(gòu)的剛度較高，則代表建筑可以承受一部分的沖擊力，如果沖擊力低于剛度產(chǎn)生的抵抗力，則建筑不會坍塌。那么在地震條件下，地震給建筑帶來的沖擊力無疑是巨大的，良好的剛度可以降低沖擊力的水平，延長建筑在地震條件下的穩(wěn)定時間（因大多數(shù)地震的持續(xù)時間較長，巨大沖擊力會一直對建筑造成沖擊，導(dǎo)致建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，破壞其剛度性能，所以最終結(jié)果往往還是坍塌，但如果地震持續(xù)時間較短，則不會坍塌），這可以給高層住戶提供充足的逃生時間，說明結(jié)構(gòu)剛度的意義非凡，是建筑抗震性能中的核心因素。

1.2 整體性

建筑結(jié)構(gòu)的整體性是決定結(jié)構(gòu)剛度水平、引導(dǎo)外力走向的重要因素，在抗震性能中發(fā)揮這巨大作用。具體來說，建筑結(jié)構(gòu)的整體性是否良好，可以從其各個部位的力學(xué)表現(xiàn)上來進(jìn)行判斷，即良好的整體性，其各個結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)表現(xiàn)聯(lián)系緊密，且整個力學(xué)結(jié)構(gòu)分布均勻，其中沒有薄弱點，如果有任意一項不滿足，則說明整體性較差，在這一條件下，當(dāng)建筑遭受地震外力沖擊，整體性良好的建筑結(jié)構(gòu)會將沖擊力“化整為零”，分?jǐn)偨o各個建筑結(jié)構(gòu)，以免沖擊力過于集中而導(dǎo)致某個部位損毀，相繼引發(fā)結(jié)構(gòu)性坍塌，這一點說明良好的整體性有利于建筑剛度提高，且體現(xiàn)出引導(dǎo)外力走向的功能。

1.3 可塑性

在大部分案例當(dāng)中可見，無論建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能多么優(yōu)秀，其面對大型地震時，坍塌只是時間問題，而一些具有良好可塑性的建筑結(jié)構(gòu)，其在地震中“堅持”的時間更長。原理上建筑的可塑性可以視為“自穩(wěn)定性”，使建筑每一次的位移、形變時間縮短，如果沒有后續(xù)外力影響，建筑同樣可以保持穩(wěn)定，所以可塑性越高，則建筑抗震性能越好，給住戶逃生時間做出了杰出貢獻(xiàn)。

2 影響抗震性能水平的主要原因

實際上，高層建筑抗震性能水平會受到多種原因影響而發(fā)生不良變化，對此本文不便一一細(xì)說，主要挑選其中較為主要的原因進(jìn)行分析，即建筑材料、力學(xué)結(jié)構(gòu)、框架設(shè)計。

2.1 建筑材料

建筑材料是除整體性以外，對建筑結(jié)構(gòu)剛度具有重大影響的另一項原因，即高層建筑所使用的材料，其強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，將決定建筑結(jié)構(gòu)的剛度。具體來說，現(xiàn)代高層建筑多采用混凝土、鋼筋作為主要施工材料，其中混凝土的強(qiáng)度取決于混合料的級配、混凝土結(jié)構(gòu)厚度，在級配達(dá)標(biāo)、厚度達(dá)標(biāo)的條件下，結(jié)合整體性框架，就可以形成良好的剛度，相反如果有任意一項未被滿足，則說明建筑結(jié)構(gòu)剛度不佳，抗震性能不滿足要求；鋼筋是實現(xiàn)建筑基本框架的主要材料，所以鋼筋是否具有良好的承載能力，就代表建筑承受地震沖擊力的限度。綜上可見，建筑材料是影響高層建筑抗震性能水平的主要原因。

2.2 力學(xué)結(jié)構(gòu)

力學(xué)結(jié)構(gòu)代表的是建筑的整體性，其具有幾項指標(biāo)：載荷能力、力學(xué)分布是否均勻、結(jié)構(gòu)聯(lián)系是否緊密。具體來說，在高層建筑抗震設(shè)計當(dāng)中，如果整體結(jié)構(gòu)的載荷能力低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，則無論后兩項指標(biāo)表現(xiàn)如何，其面對地震沖擊力都是“有心無力”，所以在權(quán)重上載荷能力是力學(xué)結(jié)構(gòu)質(zhì)量評估的最高指標(biāo)；力學(xué)分布是否均勻方面，結(jié)合上述整體性分析可見，如果結(jié)構(gòu)中存在薄弱點，則代表力學(xué)結(jié)構(gòu)分布不均勻，在地震沖擊下容易出現(xiàn)局部破壞，隨之受后續(xù)沖擊力以及重力影響，會產(chǎn)生整體性坍塌，這一指標(biāo)如果表現(xiàn)不佳，則無論結(jié)構(gòu)是否緊密，都會出現(xiàn)上述問題，所以在權(quán)重上力學(xué)分布是否均勻是力學(xué)結(jié)構(gòu)質(zhì)量評估的第二指標(biāo)；結(jié)構(gòu)聯(lián)系是否緊密方面，結(jié)合上述整體性分析中的引導(dǎo)外力走向的功能，如果聯(lián)系不緊密，則無法實現(xiàn)這一功能，其在權(quán)重上是力學(xué)結(jié)構(gòu)質(zhì)量評估的第三指標(biāo)。

2.3 框架設(shè)計

結(jié)合當(dāng)前最常用的抗震結(jié)構(gòu)（框剪結(jié)構(gòu)）來進(jìn)行分析。在很多框剪結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例當(dāng)中可見，其具有良好的自穩(wěn)定性，說明該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)良好的可塑性，但如何在該框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中出現(xiàn)了問題，就必然破壞其自穩(wěn)定能力，降低可塑性表現(xiàn)，因此框架設(shè)計工作是影響高層建筑抗震性的主要原因。

3 抗震性能優(yōu)化方法

3.1 規(guī)范設(shè)計

在高層建筑抗震性能設(shè)計當(dāng)中，任何設(shè)計方案都必須滿足國家規(guī)范要求，否則無論其性能表現(xiàn)如何都不能采用，這是該項設(shè)計的基本原則，同時根據(jù)國家規(guī)范要求，可以判斷設(shè)計方案抗震性能是否需要優(yōu)化以及優(yōu)化方向。具體來說，目前我國對于高層建筑抗震性能的基本要求為：高層建筑抗震性能必須高于地區(qū)地震烈度一級，依照要求設(shè)計人員需要對建筑材料進(jìn)行選擇，確保其級配以及性能達(dá)標(biāo)，再對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行測試，確認(rèn)其整體性表現(xiàn)，如果任意一項存在缺陷，則說明設(shè)計方案需要優(yōu)化，優(yōu)化方向即為缺陷問題。

3.2 地震外力傳遞渠道設(shè)計

在整體性要求下，其引導(dǎo)外力走向功能的主要原理就在于：建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在若干地震外力傳遞渠道，那么要保障整體性、實現(xiàn)力學(xué)結(jié)構(gòu)均勻分布，就必須對地震外力傳遞渠道進(jìn)行設(shè)計，且針對其中不合理進(jìn)行優(yōu)化。具體來說，可以借助BIM 技術(shù)構(gòu)成方案三維模型，模擬其在地震外力條件下的外力引導(dǎo)表現(xiàn)，根據(jù)各外力傳遞渠道上的力學(xué)數(shù)值，判斷設(shè)計是否合理，如果不合理則針對問題渠道進(jìn)行調(diào)整即可。

3.3 多抗震防線設(shè)計

多抗震防線設(shè)計可以形成良好的可塑性，在理論與實踐上都具有良好的表現(xiàn)，因此該設(shè)計方法可以作為優(yōu)化高層建筑抗震性能的方法來使用。但值得注意的是，多抗震防線設(shè)計應(yīng)用中，會導(dǎo)致施工成本增高、建筑內(nèi)部空間侵占問題，因此設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在綜合角度上來應(yīng)用該方法，在實現(xiàn)良好抗震性能的同時，兼顧建筑功能性。

4 結(jié)語

綜上，說明抗震性能對于高層建筑的重要性，闡述了其形成原理，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了方向；了解了高層建筑抗震性能設(shè)計的影響因素，在設(shè)計當(dāng)中應(yīng)當(dāng)避免各類因素出現(xiàn)不良表現(xiàn)；對抗震性能優(yōu)化方法進(jìn)行了分析，了解了各方法的應(yīng)用方式以及注意事項。