蘇紅珍 于瓊

摘要：我國處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計面臨的迫切任務(wù)。作為工程抗震設(shè)計的依據(jù)，高層建筑抗震分析處于非常重要的地位。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計的主要內(nèi)容進行了分析，說明了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的相關(guān)要求，并詳細(xì)闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震；減隔震；延性設(shè)計；材料

一、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計的主要內(nèi)容

在罕遇地震作用下，抗震結(jié)構(gòu)都會部分進入塑性狀態(tài)。為了滿足大震作用下結(jié)構(gòu)的功能要求，有必要研究和計算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。當(dāng)前國內(nèi)外抗震設(shè)計的發(fā)展趨勢，是根據(jù)對結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)彈塑性分析成為抗震設(shè)計的必要的組成部分。但是由于結(jié)構(gòu)彈塑性分析的復(fù)雜性，在如何進行計算和如何設(shè)定具體要求的問題上，各國的做法也有所不同。

我國現(xiàn)行抗震規(guī)范（GB50021-2001）要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下（小震），按反應(yīng)譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內(nèi)力及位移，并用極限狀態(tài)方法設(shè)計構(gòu)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，并進行大震作用下的變形驗算。這種先用多遇地震作用進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，再校核罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的方法，即二階段設(shè)計方法。同時規(guī)范還規(guī)定了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性變形的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。

結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動力分析（時程分析）和彈塑性靜力分析（推力計算）兩大類。

（一）彈塑性動力分析

采用桿模型和層模型等簡化的結(jié)構(gòu)計算模型。桿模型計算的優(yōu)點是可以得到桿件狀態(tài)隨時間的變化過程，也可得到各樓層的反應(yīng)。但耗時多、費用昂貴、結(jié)

果數(shù)據(jù)量大且分析比較繁冗，在國外也極少采用。層模型計算能得到各樓層的反應(yīng)，例如層剪力、樓層側(cè)移和層間轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性。層模型計算的數(shù)據(jù)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(jié)果受地震波的影響較大且不存在唯一答案，有時難以判斷。

（二）彈塑性靜力分析方法

上世紀(jì)九十年代中期一些學(xué)者相繼提出彈塑性靜力分析方法（Push-over Analysis）用于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中每個構(gòu)件的內(nèi)力和承載力的關(guān)系以及各桿件承載力間的相互關(guān)系；檢查是否符合強柱弱梁（或強剪弱彎），并可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱部位；還可得到不同受力階段的側(cè)移變形，給出“底部剪力--預(yù)點側(cè)移”關(guān)系曲線以及“層剪力--層間變形”關(guān)系曲線等等。后者即可作為各樓層的“層剪力--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(shù)。只要結(jié)構(gòu)一定（尺寸、配筋、材料），其結(jié)果不受地震波的影響，只與初始樓層水平荷載的分布有關(guān)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的相關(guān)要求

（一）抗震等級的確定

1、抗震等級

是設(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。

2、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)科學(xué)勘查和驗證，對我國主要城市和地區(qū)進行的抗震設(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。

（二）抗震措施的要求

1.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)符合比9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構(gòu)造措施。

2.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構(gòu)造措施. 按建筑類別及場地調(diào)整后用于確定抗震等級烈度，按調(diào)整后的抗震等級烈度。

3、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)的計算和構(gòu)造措施要求。

4、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，或采用高強度混凝土柱。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方法

（一）減少地震發(fā)生時能量的輸入

在具體的設(shè)計中，積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對具體的方案進行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形彈性滿足預(yù)期地震作用力下的變形需求。對建筑構(gòu)件的承載力進行驗收的同時，還要控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移限值；并且根據(jù)建筑構(gòu)件的變形和建筑結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；根據(jù)建筑界面的應(yīng)變分布以及大小，來確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。對于高層建筑，在堅固的場地上進行建筑施工，可以有效減少地震發(fā)生作用時能量的輸入，從而減弱地震對高層建筑的破壞。

（二）運用高延性設(shè)計、推廣消震和隔震措施

在我國，許多高層建筑進行抗震設(shè)計時，多采用延性結(jié)構(gòu)，也就是適當(dāng)控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度，允許地震時結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進入到具有很大延性的塑性狀態(tài)，從而消耗地震作用時的能量，使地震反應(yīng)減小，減弱地震給高層建筑帶來的破壞。如果某高層建筑的承載能力較小，但是具有較高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因為延性構(gòu)件可以吸收較多的能量，經(jīng)受住很大的結(jié)構(gòu)變形。延性結(jié)構(gòu)的運用，在很多情況下是有效的，它可以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。

進入20世紀(jì)以來，人們對建筑物抗振動能力的提高做出了巨大的努力，取得了顯著的成果，其中阻尼器的使用在高層建筑的抗震方面有很大的作用。通過對使用阻尼器進行減震和能量的吸收，可以巧妙地避免或減弱地震對高層建筑的破壞。

（三）注重抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計

高層建筑抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)該得到人們的重視。我國150米以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系（框—筒、筒中筒和框架—支撐體系），都是其他國家高層建筑采用的主要體系。我國鋼材生產(chǎn)數(shù)量較大，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，可以從傳統(tǒng)的硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)嵯酀哪康?，有效地減弱地震作用過程中釋放的沖擊力。

（四）增多抗震防線

高層建筑結(jié)構(gòu)防震可以設(shè)置多道抗震防線，增強對地震的抵抗力。高層建筑物設(shè)置多層的地震抵抗防線，第一道防線遭到破壞之后，有后備的第二道、第三道甚至更多的防線對地震的作用力進行阻擋，避免高層建筑物的倒塌。高層建筑結(jié)構(gòu)進行抵抗地震設(shè)計時，可以采用具有多個肢節(jié)和壁式框架的“框架剪力墻”等防震結(jié)構(gòu)。

（五）重視建筑材料的選擇

在高層建筑的抗震方案設(shè)計中，建筑材料的選擇也非常重要。首先，我們可以對建筑材料的參數(shù)進行抗震性能分析，從整體上對材料的參數(shù)變異性進行研究，不能僅考慮建筑材料的承載力而忽略其他因素。從抵抗地震的角度來講，就是要控制建筑結(jié)構(gòu)的延性需求，這就要求我們從高層建筑建設(shè)施工的各方面來選擇符合抗震需求而且經(jīng)濟適用的建筑結(jié)構(gòu)材料。

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