【摘要】：高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震性能對(duì)建筑安全起著至關(guān)重要的作用，本文主要對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范，就高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題和新的趨勢(shì)進(jìn)行重點(diǎn)探討。

【關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)抗震;高層建筑;抗震分析與設(shè)計(jì)

當(dāng)下，我國(guó)高層建筑發(fā)展迅速?？拐鸱治雠c設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，高層建筑更是如此。我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，這就要求我們的建筑必須能經(jīng)受得住地震的考驗(yàn)。這些種種都要求結(jié)構(gòu)工程師對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)有足夠清晰的理解和認(rèn)識(shí)，工作中采取安全可靠的抗震措施和方法提高高層建筑的抗震性能，從而達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒“。

一、規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)

我國(guó)現(xiàn)行的《抗震規(guī)范》對(duì)抗震分析與設(shè)計(jì)計(jì)算是基于多遇地震作用的考慮，按照反應(yīng)譜理論進(jìn)行地震作用的模擬分析，用彈性力學(xué)方法計(jì)算內(nèi)力和位移變化，然后用極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動(dòng)力分析和彈塑性靜力分析兩大類(lèi)。彈塑性動(dòng)力分析，采用桿模型和層模型等簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。桿模型計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是可以得到桿件狀態(tài)隨時(shí)間的變化過(guò)程，也可得到各樓層的反應(yīng)。但耗時(shí)多、費(fèi)用昂貴、結(jié)果數(shù)據(jù)量大且分析比較繁冗，在國(guó)外也極少采用。層模型計(jì)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(yàn)結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性。層模型計(jì)算的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，適宜于進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，也便于計(jì)算多條地震波作用。但無(wú)論是采用桿模型還是層模型進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果受地震波的影響較大且不存在唯一答案，有時(shí)難以判斷。

曾經(jīng)有一些學(xué)者提出彈塑性靜力分析方法用于結(jié)構(gòu)抗震分析。這種方法有較多優(yōu)點(diǎn)。由彈塑性靜力分析，可以了解結(jié)構(gòu)中每個(gè)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(qiáng)柱弱梁，并可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱部位;還可得到不同受力階段的側(cè)移變形，給出“底部剪力一預(yù)點(diǎn)側(cè)移”關(guān)系曲線以及“層剪力一層間變形”關(guān)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(jìn)行層模型彈性時(shí)程分析所必須的參數(shù)。只要結(jié)構(gòu)一定，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、結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

1.設(shè)計(jì)高度問(wèn)題

國(guó)內(nèi)的《高規(guī)》規(guī)定綜合考慮經(jīng)濟(jì)與適用的原則，確定出了各種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度。

這個(gè)高度是在我國(guó)目前建筑科研水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平下，較為穩(wěn)妥的，也是與目前整個(gè)土木工程規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的。對(duì)于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因?yàn)樵诘卣鹆ψ饔孟?，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)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(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。

2.結(jié)構(gòu)體系問(wèn)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(guó)150m以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系（框一筒、筒中筒和框架一支撐），這些也是其他國(guó)家高層建筑采用的主要體系。但國(guó)外特別在地震區(qū)，是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而在我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有經(jīng)受較大地震作用的考驗(yàn)?；旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高達(dá)90%以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(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，不僅增大了鋼結(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(mǎn)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)換層都在本層形成大剛度而導(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，且加強(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。

3.抗震措施與構(gòu)造措施在某些項(xiàng)目中設(shè)計(jì)較低。

現(xiàn)在許多專(zhuān)家學(xué)者提出，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度己不能適應(yīng)國(guó)情的需要，認(rèn)為我國(guó)“取用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度”并主張“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度水平應(yīng)該大幅度提高”。此外，對(duì)于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個(gè)抗震設(shè)計(jì)原則，在新形勢(shì)下也有重新審核的必要。

設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低的根本原因在于國(guó)家財(cái)力物力有限。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除了設(shè)防烈度較低外，具體抗震計(jì)算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也不如國(guó)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(guó)相比，也有異同。隨著社會(huì)財(cái)富的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)失效帶來(lái)的損失愈來(lái)愈大，加之結(jié)構(gòu)造價(jià)在整個(gè)投資中的比例下降，因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采用彈性設(shè)計(jì)，特別是高烈度區(qū)要有嚴(yán)格的抗震措施與抗震構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全。

三、結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的新方向

（1）基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)理論方法。

上世紀(jì)90年代美國(guó)學(xué)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(shè)計(jì)概念，這種方法主要是將結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)轉(zhuǎn)化為破損指標(biāo)和位移需求，并且對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了持續(xù)的研究，并將其作為新一代的抗震設(shè)計(jì)方法。

（2）動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法。

這種方法把 現(xiàn)代 控制理論中的狀態(tài)空間理論應(yīng)用到高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程，引入位移與速度為狀態(tài)變量，導(dǎo)出狀態(tài)方程，給出非齊次狀態(tài)方程的解，進(jìn)而建立狀態(tài)空間迭代計(jì)算格式。經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)算，具有較高精度。特別對(duì)多自由度體系的多輸入、多輸出等問(wèn)題的動(dòng)力響應(yīng)解法，效率較高。

（3）材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度分析。

該方法從結(jié)構(gòu)整體性能出發(fā)，改變過(guò)去對(duì)結(jié)構(gòu)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(shù)的變異性，地震烈度的隨機(jī)性，烈度等級(jí)界限的隨機(jī)性與模糊性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。研究成果可用于對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震可靠度評(píng)估，并可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

結(jié)論：

高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)的合理與否直接影響房屋的質(zhì)量和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路也經(jīng)歷了一系列的變化。針對(duì)不同工程的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，特別是對(duì)于工程的超限情況，抗震設(shè)計(jì)的技術(shù)措施應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)行規(guī)范要求更為嚴(yán)格，以便設(shè)計(jì)出更好的建筑結(jié)構(gòu)，從而保證建筑的安全和質(zhì)量。

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