王暉 張麗娜

摘要：本文主要通過介紹高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計理念，分析其發(fā)生震害的原因及破壞形式，得出常規(guī)的抗震設(shè)計思想理念已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑對抗震功能的深層次要求，為了更好的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗震的安全目標(biāo)和提高結(jié)構(gòu)抗震的功能要求，經(jīng)過對比看出基于性能的抗震設(shè)計能能夠更好地實(shí)現(xiàn)這些要求，減少地震給人們帶來的災(zāi)難并且降低經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵字：高層鋼結(jié)構(gòu)建筑；抗震設(shè)計；震害；基于性能

中圖分類號：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1. 高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計理念

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計包括三個方面：一是概念設(shè)計，即把握抗震設(shè)計的主要原則，彌補(bǔ)由地震作用和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的復(fù)雜性而造成抗震計算不準(zhǔn)確的不足；二是抗震計算，為抗震設(shè)計提供量的保證；三是構(gòu)造措施，為抗震概念及計算提供有利的保障。

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基本原理：保證結(jié)構(gòu)的完整性，提高結(jié)構(gòu)的延性以及設(shè)置多道結(jié)構(gòu)防線。

高層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用全剛接框架，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度不夠時，可采用中心支撐框架、鋼框架混凝土芯筒或鋼框筒結(jié)構(gòu)形式；但在高烈度區(qū)（8度和9度區(qū)），宜采用偏心支撐框架和鋼框筒結(jié)構(gòu)，從而保證結(jié)構(gòu)具有較好的延性。對于鋼框架支撐結(jié)構(gòu)及鋼框架混凝土芯筒結(jié)構(gòu)，鋼支撐或混凝土芯筒部分的剛度大，可能承擔(dān)整體結(jié)構(gòu)絕大部分地震作用力。但鋼支撐或混凝土芯筒的延性較差，為發(fā)揮鋼框架部分延性好的作用，承擔(dān)起第二道結(jié)構(gòu)抗震防線的責(zé)任，要求鋼框架的結(jié)構(gòu)承載力不能太小，為此框架部分按計算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值1.8倍兩者的較小值。高層鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)一樣也要滿足以下三個原則即強(qiáng)柱弱梁的原則（保證梁端的破壞先于柱端的破壞）、強(qiáng)剪弱彎的原則（彎曲破壞先于剪切破壞）以及強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的原則（構(gòu)件的破壞先于節(jié)點(diǎn)的破壞）。

建筑的平面布置宜簡單規(guī)則，并使結(jié)構(gòu)各層的抗側(cè)力剛度中心與質(zhì)量中心接近或重合，同時各層的剛心和質(zhì)心接近在同一豎直線上，建筑的開間和進(jìn)深宜統(tǒng)一。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑不宜設(shè)置防震縫，但薄弱部位應(yīng)注意采取措施提高其抗震能力，如當(dāng)結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則時，可設(shè)置防震縫。

2. 高層鋼結(jié)構(gòu)建筑主要震害特征及分析

鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高、延性好、重量輕、抗震性能好。總的來說在同等場地、烈度條件下，鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的震害要小。例如在墨西哥的高烈度區(qū)內(nèi)有102幢鋼結(jié)構(gòu)房屋，其中59幢為1957年以后所建，在1985年9月的墨西哥大地震中，1957年以后建造的鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌或嚴(yán)重破壞的不多，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的破壞就要嚴(yán)重得多。

高層鋼結(jié)構(gòu)在地震中破壞形式有節(jié)點(diǎn)連接破壞、構(gòu)件破壞及結(jié)構(gòu)倒塌。節(jié)點(diǎn)連接破壞中一種是支撐連接破壞，一種是梁柱連接破壞。1978年日本宮城縣遠(yuǎn)海地震造成鋼結(jié)構(gòu)建筑的破壞更多是支撐連接破壞。1995年日本的阪神地震造成了很多梁柱剛性連接破壞。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞主要表現(xiàn)為支撐壓屈（支撐在地震中所受的壓力超過其屈曲臨界力時即發(fā)生壓屈破壞）、梁柱局部失穩(wěn)（梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎，在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發(fā)生翼緣局部失穩(wěn)破壞）、柱水平裂縫或斷裂破壞。1995年日本阪神地震中，位于阪神地震區(qū)蘆屋市海濱城的52棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，有57根鋼柱發(fā)生斷裂，其中13根鋼柱為母材斷裂，7根鋼柱與支撐連接處斷裂，37根鋼柱在拼接焊縫處斷裂。結(jié)構(gòu)倒塌是地震中結(jié)構(gòu)破壞的最嚴(yán)重的形式。鋼結(jié)構(gòu)建筑盡管抗震性能好，但在地震中也會發(fā)生倒塌。1985年墨西哥大地震中有10幢鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌，1995年的日本阪神地震中也有鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌。

3. 常規(guī)的抗震設(shè)計與基于性能的抗震設(shè)計的對比

為了更有效地將地震所帶來的災(zāi)害及損失降低，隨著對地面運(yùn)動特征和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特征認(rèn)識的不斷深化，高層建筑抗震設(shè)計思想也在不斷完善，美國從上世紀(jì)90年代陸續(xù)提出了一些有關(guān)抗震性能設(shè)計的文件（如ATC40、FEMA356、ASCE41等），近幾年由洛杉磯市和舊金山市的重要機(jī)構(gòu)發(fā)布了新建高層建筑（高度超過160英尺、約49m）采用抗震性能設(shè)計的指導(dǎo)性文件。2008年美國一學(xué)術(shù)組織“國際高層建筑及都市環(huán)境委員會（CTBUH）”發(fā)表了有關(guān)高層建筑（高度超過50m）抗震性能設(shè)計的建議。日本從1981年起已將基于性能的抗震設(shè)計原理用于高度超過60m的高層建筑。高層建筑采用抗震性能設(shè)計已形成一種發(fā)展趨勢。

我國常規(guī)抗震設(shè)計方法是滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，按指令性、處方形式的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計、小震彈性設(shè)計、經(jīng)驗(yàn)性的內(nèi)力調(diào)整、放大和構(gòu)造以及部分結(jié)構(gòu)大震變形驗(yàn)算，即認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的宏觀的設(shè)防目標(biāo)，但隨著新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，這種抗震設(shè)計方法已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)在高層建筑的抗震功能的深層次要求，更加不能有效地控制地震所造成的損失。

基于性能的抗震設(shè)計理論是20世紀(jì)90年代初由美國學(xué)者提出，按此理論設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下能夠維持所要求的性能水平?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計理論是一種更加合理的設(shè)計理念，它將抗震設(shè)計以保障人民生命安全為基本目標(biāo)轉(zhuǎn)化為在不同風(fēng)險水平地震作用下滿足不同的性能目標(biāo)，通過多目標(biāo)、多層次的抗震安全設(shè)計來最大限度保障人民生命安全，采用多個預(yù)期的性能目標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)的、非結(jié)構(gòu)的、設(shè)施的各種具體性能指標(biāo)，由業(yè)主選擇具體工程的預(yù)期目標(biāo)，而且提出了符合預(yù)期性能要求的論證，包括結(jié)構(gòu)體系、詳盡的分析、抗震措施和必要的試驗(yàn)，并經(jīng)過專門的評估予以確認(rèn)。通過對兩者的分析比較可以看出基于性能的抗震設(shè)計的優(yōu)越性，它代表了未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展方向。

4. 結(jié)語

通過以上的闡述及分析我們可以看到基于性能的抗震設(shè)計能夠更好的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗震的安全目標(biāo)和提高結(jié)構(gòu)抗震的功能要求，在新修訂的建筑抗震設(shè)計規(guī)范中也得到了體現(xiàn)，然而基于性能的抗震設(shè)計也存在一些問題，例如地震作用的不確定性，結(jié)構(gòu)分析模型及參數(shù)選用存在不少經(jīng)驗(yàn)因素，模型試驗(yàn)以及震害資料的欠缺，存在的這些問題都需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，從而減少地震所帶來的災(zāi)害與損失。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李國強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計 中國建筑工業(yè)出版社 2009

[2] 陳忠范高層建筑結(jié)構(gòu) 東南大學(xué)出版社 2008

[3] 史慶軒高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 科學(xué)出版社 2006

[4] 沈蒲生高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 中國建筑工業(yè)出版社 2006

[5] 沈小璞高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 合肥工業(yè)大學(xué)出版社 2006

[6] 高立人高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中國計劃出版社2005