熊惠莉

[摘要]在建筑結構基于性能要求的抗震設計方案中，抗震措施是一個重要的組成部分，而且高層建筑結構的抗震問題也逐漸成為建筑行業(yè)關注的焦點。通過對高層建筑結構中現行規(guī)范抗震分析與設計的內容及常見問題的分析，總結高層建筑抗震的方法。預測將來高層建筑結構抗震分析與設計的新趨勢。

[關鍵詞]高層建筑 建筑結構 抗震設計

中圖分類號：TU2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520072－01

高層建筑的結構體系是隨著社會生產的發(fā)展和科學技術的進步而不斷發(fā)展的。隨著經濟水平的增長和高層建筑的增多，結構抗震分析和設計已經變得越來越重要。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設防更是工程設計面臨的迫切任務，高層建筑結構的抗震仍然是建筑物安全考慮的重要問題。

一、現行規(guī)范抗震分析與設計的內容

我國現行抗震規(guī)范要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下，按反應譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內力及位移，并用極限狀態(tài)方法設計構件。對于重要建筑或有特殊要求時，要用時程分析法補充計算，并進行罕遇地震作用下（大震）的變形驗算。這種先用多遇地震作用進行結構設計，再校核罕遇地震作用下結構彈塑性變形的方法，即二階段設計方法。同時規(guī)范還規(guī)定了結構在罕遇地震作用下的彈塑性變形的結構彈塑性分析方法。

結構彈塑性分析可分為彈塑性動力分析和彈塑性靜力分析兩大類。彈塑性動力分析，采用桿模型和層模型等簡化的結構計算模型。層模型計算能得到各樓層的反應，例如層剪力、樓層側移和層間轉角、層間位移延性比等，它主要是從宏觀上即層間變形檢驗結構在大震作用下的安全性。層模型計算的數據相對較少，適宜于進行宏觀檢驗，也便于計算多條地震波作用。但無論是采用桿模型還是層模型進行彈塑性時程分析，計算結果受地震波的影響較大且不存在唯一答案，有時難以判斷。

上世紀九十年代中期一些學者相繼提出彈塑性靜力分析方法用于結構抗震分析。這種方法并非創(chuàng)新，但有較多優(yōu)點。由彈塑性靜力分析，可以了解結構中每個構件的內力和承載力的關系以及各桿件承載力間的相互關系；檢查是否符合強柱弱梁，并可發(fā)現設計的薄弱部位；還可得到不同受力階段的側移變形，給出“底部剪力一預點側移”關系曲線以及“層剪力一層間變形”關系曲線等等。后者即可作為各樓層的“層剪力一層間位移”骨架線，它是進行層模型彈性時程分析所必須的參數。只要結構一定，其結果不受地震波的影響，只與初始樓層水平荷載的分布有關。

二、高層建筑結構抗震抗震分析與設計中常見問題

（一）高度問題。按我國現行《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》規(guī)定綜合考慮經濟與適用的原則，給出了各種常見結構體系的最大適用高度。

這個高度是在我國目前建筑科研水平、經濟發(fā)展水平和施工技術水平下，較為穩(wěn)妥的，也是與目前整個土木工程規(guī)范體系相協調的。對于超高限建筑物，應當采取科學謹慎的態(tài)度。因為在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會發(fā)生很大的變化，隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發(fā)生質變，即有些參數本身超出了現有規(guī)范的適宜范圍，如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。

（二）結構體系問題。在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結構體系較為合理應該得到人們的重視。我國150m以上的建筑，采用的三種主要結構體系（框一筒、筒中筒和框架一支撐），這些也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)，是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了90%。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大地震作用的考驗?；旌辖Y構的鋼筋混凝土內筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高達90%以上。由于結構以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規(guī)范側移限值。此外，在結構體系或柱距變化時，需要設置結構轉換層。加強層和轉換層都在本層形成大剛度而導致結構剛度突變，常常會使與加強層或轉換層相鄰的柱構件剪力突然加大，且加強層伸臂構件或轉換層構件與外框架柱連接處很難實現強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉換層時，要慎重選擇其結構模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

（三）在一些烈度區(qū)采用了較低的抗震和構造措施?，F在許多專家學者提出，現行的建筑結構設計安全度已不能適應國情的需要，認為我國“取用了可能是世界上最低的結構設計安全度”并主張“建筑結構設計的安全度水平應該大幅度提高”。此外，對于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個抗震設計原則，在新形勢下也有重新審核的必要。

設防標準低的根本原因在于國家財力物力有限。我國建筑結構抗震設計除了設防烈度較低外，具體抗震計算方法和構造規(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，與外國相比，也有異同。因而有人主張結構在設防烈度下應該采用彈性設計，特別是高烈度區(qū)要有嚴格的抗震措施與抗震構造措施來保證結構的安全。

三、高層建筑結構抗震分析與設計的新趨勢

1．基于性能的結構抗震設計現場理論PBD（Performance-based Design）方法。上世紀90年代美國學者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計概念，這種方法主要是將結構的性能目標轉化為破損指標和位移需求，并且對基于性能的抗震設計進行了持續(xù)的研究，并將其作為新一代的抗震設計方法。

2．動力時程響應分析的狀態(tài)空間迭代法。這種方法把現代控制理論中的狀態(tài)空間理論應用到高層建筑結構動力響應問題。根據結構動力方程，引入位移與速度為狀態(tài)變量，導出狀態(tài)方程，給出非齊次狀態(tài)方程的解，進而建立狀態(tài)空間迭代計算格式。經工程實例驗算，具有較高精度。特別對多自由度體系的多輸入、多輸出等問題的動力響應解法，效率較高。

3．材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析。該方法從結構整體性能出發(fā)，改變過去對結構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的變異性，地震烈度的隨機性，烈度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。研究成果可用于對現有的結構進行抗震可靠度評估，并可用于指導基于可靠度理論的結構抗震設計。

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