李 超 吳東豫

當(dāng)今快速城市化的浪潮中，高層建筑不僅成為城市天際線的標(biāo)志，還是現(xiàn)代城市發(fā)展的重要組成部分，標(biāo)志技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在解決城市人口密集和土地資源有限的問題上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但高層建筑在面對自然災(zāi)害，尤其是在面對地震時(shí)的安全性已成為一個(gè)不容忽視的問題。地震是一種不可預(yù)測且破壞力巨大的自然災(zāi)害，對高層建筑的安全造成了威脅。深入研究高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，不僅是工程技術(shù)領(lǐng)域的需求，更是對人類生命財(cái)產(chǎn)安全的基本保障。

1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)概述

1.1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)的基本原則

高層建筑抗震設(shè)計(jì)的核心原則是確保在地震發(fā)生時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗震動(dòng)，保障人員安全，減少財(cái)產(chǎn)損失。這一原則主要體現(xiàn)在表1 所示的幾個(gè)方面。

表1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)的基本原則

1.2 高層建筑抗震設(shè)計(jì)原理

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)原理需要基于對地震動(dòng)力學(xué)特性的深入理解，以及建筑結(jié)構(gòu)對地震波的響應(yīng)機(jī)制，具體如圖1 所示。

圖1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)原理框架（來源：網(wǎng)絡(luò)）

1.2.1 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色[1]，涉及對高層建筑在地震波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行深入評估，具體為：第1，通過精確模擬地震波的特性（如振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間），工程師能預(yù)測高層建筑在不同類型地震影響下的行為。第2，建筑的自然振動(dòng)特性，如頻率和振型很重要。這些分析通常借助高級計(jì)算模型進(jìn)行，如有限元方法，其能模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。第3，動(dòng)力學(xué)分析還包括對高層建筑各部分如框架、核心筒和懸挑結(jié)構(gòu)的詳細(xì)考察，確保其在地震中的整體穩(wěn)定性和局部安全性。

1.2.2 能量分散

能量分散策略在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，旨在通過合理的結(jié)構(gòu)布局和材料選擇，有效分散和吸收地震能量，從而減輕對主體結(jié)構(gòu)的沖擊。這一策略的實(shí)施涉及以下方面：第1，建筑的結(jié)構(gòu)布局應(yīng)不斷優(yōu)化，以分散地震力的傳遞路徑，如設(shè)置轉(zhuǎn)移層、隔震層等。第2，材料選擇對于能量吸收至關(guān)重要，如高韌性鋼材或者特殊混凝土在承受地震力時(shí)能夠表現(xiàn)出更好的能量吸收和耗散性能。第3，建筑設(shè)計(jì)中還可以考慮引入非結(jié)構(gòu)元素，如墻體和隔板，它們在地震中能夠作為額外的能量吸收器，進(jìn)一步保護(hù)主要承重結(jié)構(gòu)。

1.2.3 延性設(shè)計(jì)

延性設(shè)計(jì)的核心在于確保高層建筑結(jié)構(gòu)在遭受極端地震作用時(shí)有足夠的變形能力，從而避免脆性破壞[2]。這一設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)在極端地震條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)通過塑性變形來耗散地震能量，而不是突然斷裂。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于選擇合適的材料和設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。例如，具有高塑性的鋼筋混凝土可以在地震中提供更大的變形空間；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)（如梁柱連接處）需要特別設(shè)計(jì)以承受較大的變形而不致失效。此外，整體結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)化也是實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)的重要方面，如通過設(shè)置能夠在地震中“犧牲”的非承重元素來保護(hù)主要承重結(jié)構(gòu)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化策略

2.1 需求分析

分析高層建筑抗震性能優(yōu)化的需求時(shí)，關(guān)鍵在于深入理解和綜合考慮多種因素，以確保設(shè)計(jì)方案的全面性和有效性。這一過程不僅涉及對高層建筑本身的分析，還包括對其所處環(huán)境的細(xì)致考量。不同因素對高層建筑抗震設(shè)計(jì)的影響如表2 所示。

表2 不同因素對高層建筑抗震設(shè)計(jì)的影響

2.2 具體策略

根據(jù)對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震需求的分析，提出高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化策略，如動(dòng)力隔震系統(tǒng)的應(yīng)用、高級結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、智能監(jiān)測與自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用等，如圖2 所示。

圖2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化策略（來源：網(wǎng)絡(luò)）

2.2.1 動(dòng)力隔震系統(tǒng)的應(yīng)用

在高層建筑抗震性能優(yōu)化策略中，動(dòng)力隔震系統(tǒng)的應(yīng)用是一項(xiàng)革命性的進(jìn)步。這種系統(tǒng)的核心理念在于通過特定的工程技術(shù)，將高層建筑主體與其基礎(chǔ)隔離，從而顯著減少地震力對高層建筑結(jié)構(gòu)的直接影響[3]。

動(dòng)力隔震系統(tǒng)應(yīng)用需要注重以下方面：第1，隔震支座的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。隔震支座是動(dòng)力隔震系統(tǒng)的核心組件，其設(shè)計(jì)須精確匹配建筑的動(dòng)力特性。常見的隔震支座類型包括高阻尼橡膠支座、滑動(dòng)支座和鉛芯支座等。這些支座的設(shè)計(jì)考慮了高層建筑的質(zhì)量、剛度和預(yù)期的地震動(dòng)力特性，以確保在地震發(fā)生時(shí)能有效隔斷地面運(yùn)動(dòng)對上部結(jié)構(gòu)的傳遞。第2，系統(tǒng)的整體性能評估。動(dòng)力隔震系統(tǒng)的有效性不僅取決于隔震支座，還依賴于整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。這要求對高層建筑的整體動(dòng)力行為進(jìn)行綜合評估，包括模擬不同強(qiáng)度和特性的地震對高層建筑的影響。通過評估，可確保動(dòng)力隔震系統(tǒng)在各種地震情景下都能達(dá)到預(yù)期的效果。第3，地震力傳遞路徑的優(yōu)化。在隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化地震力的傳遞路徑是關(guān)鍵。這意味著除了隔震支座外，建筑的其他結(jié)構(gòu)元素（如梁、柱和樓板）也需相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整，以確保地震力在建筑中的傳遞更平滑，減少對主要承重結(jié)構(gòu)的沖擊。

2.2.2 結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)新與應(yīng)用

結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)新與應(yīng)用表現(xiàn)為：第1，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete， UHPC）以卓越的力學(xué)性能和耐久性，在抗震設(shè)計(jì)中表現(xiàn)良好。UHPC 的密度高，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)混凝土，在承受地震力時(shí)有更好的穩(wěn)定性和抗裂性。此外，UHPC 的流動(dòng)性和自密實(shí)性能使其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工中更高效。第2，高強(qiáng)度鋼材因其優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性比，在提高建筑抗震性能方面發(fā)揮著重要作用。改良合金成分和熱處理工藝，可進(jìn)一步提高鋼材的屈服強(qiáng)度和延展性，使其在極端地震條件下也能承受較嚴(yán)重的變形而不斷裂。在高層建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)用，能顯著提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。第3，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymers，F(xiàn)RP）以高強(qiáng)度和輕質(zhì)特性，在抗震加固中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，可用于加固現(xiàn)有高層建筑結(jié)構(gòu)，如梁、柱和墻體，以提高其抗震能力[4]。此外，F(xiàn)RP 的耐腐蝕性和易成型性使其在復(fù)雜或惡劣環(huán)境下的應(yīng)用更具優(yōu)勢。第4，形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一種新型智能材料，應(yīng)用于建筑領(lǐng)域時(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特的抗震潛力。SMA 在經(jīng)歷變形后能夠恢復(fù)原始形狀，這一特性使其在高層建筑抗震加固中有巨大的應(yīng)用前景。

2.2.3 高級結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

非線性動(dòng)力分析是一種高級的結(jié)構(gòu)分析方法，它能模擬建筑在極端地震作用下的響應(yīng)。這種分析考慮了材料的非線性行為（如屈服和破壞）和結(jié)構(gòu)的大位移效應(yīng)。通過這種方法，工程師能更準(zhǔn)確地預(yù)測高層建筑在地震中的表現(xiàn)，從而在設(shè)計(jì)階段就識別并強(qiáng)化潛在的薄弱環(huán)節(jié)。而利用三維建模軟件進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和仿真，可在虛擬環(huán)境中全面評估建筑的抗震性能。這種方法使設(shè)計(jì)師能在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建完整的建筑模型，并模擬不同強(qiáng)度和特性的地震對高層建筑的影響[5]。通過仿真，可在高層建筑實(shí)際建造之前對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，確保其抗震性能達(dá)到最佳。

性能基設(shè)計(jì)（Performance-Based Design，PBD）是一種以預(yù)期性能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的基于規(guī)范的設(shè)計(jì)方法不同，PBD 主要關(guān)注高層建筑在特定地震情況下的實(shí)際表現(xiàn)。這種方法要求工程師明確定義高層建筑在不同地震級別下的預(yù)期性能，如立即可用、生命安全和崩潰預(yù)防等級別，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。在高級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)控制和隔震技術(shù)的集成是提高高層建筑抗震性能的有效手段，這包括使用主動(dòng)控制系統(tǒng)、被動(dòng)控制系統(tǒng)（如阻尼器）和基礎(chǔ)隔震技術(shù)，這些技術(shù)的集成可顯著減少地震對建筑的影響，提高其抗震性能。

2.2.4 智能監(jiān)測與自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

智能監(jiān)測與自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用包括以下關(guān)鍵的方面：第1，實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，如加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)和位移計(jì)，持續(xù)監(jiān)測高層建筑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些傳感器可提供有關(guān)高層建筑在日常和極端條件下（如地震）的性能數(shù)據(jù)。通過分析這些數(shù)據(jù)，工程師可以時(shí)了解高層建筑的健康狀況，預(yù)測潛在的結(jié)構(gòu)問題，并及時(shí)采取維修或加固措施。第2，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成。自適應(yīng)控制系統(tǒng)包括主動(dòng)和被動(dòng)控制系統(tǒng)，能根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和外部環(huán)境變化作出響應(yīng)。例如，在地震發(fā)生時(shí)，這些系統(tǒng)可調(diào)整高層建筑的阻尼比和剛度，以減少振動(dòng)和潛在的損傷。這種自適應(yīng)能力使建筑能更有效應(yīng)對地震等自然災(zāi)害。第3，地震預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)。智能監(jiān)測系統(tǒng)還可集成地震預(yù)警功能，提前幾秒鐘到幾分鐘警告即將發(fā)生的地震。這為阻尼比和剛度建筑的自動(dòng)安全系統(tǒng)（如電梯控制、緊急疏散指示）提供了寶貴的時(shí)間，可以采取預(yù)防措施，保護(hù)建筑內(nèi)的人員和設(shè)備。第4，與建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM）的集成。將智能監(jiān)測與自適應(yīng)控制系統(tǒng)與BIM 集成，可以實(shí)現(xiàn)更高效的阻尼比和剛度建筑管理和維護(hù)。BIM 提供了一個(gè)詳細(xì)的三維建筑模型，包括結(jié)構(gòu)、材料和系統(tǒng)信息。將此模型與實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，可更直觀地展示阻尼比和剛度建筑的性能，并輔助決策過程。

2.2.5 綜合風(fēng)險(xiǎn)評估與管理

綜合風(fēng)險(xiǎn)評估與管理在高層建筑抗震性能優(yōu)化策略中占據(jù)核心地位。這一過程涉及對阻尼比和剛度建筑在各種潛在地震情況下的表現(xiàn)的全面評估，并制訂相應(yīng)管理策略以降低風(fēng)險(xiǎn)。

綜合風(fēng)險(xiǎn)評估先需要從多個(gè)維度進(jìn)行，包括地震的可能性、強(qiáng)度及阻尼比和剛度建筑的具體響應(yīng)。這不僅涉及地震學(xué)的分析，還包括對阻尼比和剛度建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和歷史地震數(shù)據(jù)的綜合考量。通過這種多維度評估，可以全面了解建筑在潛在地震影響下的脆弱性。然后，利用先進(jìn)的計(jì)算模型和軟件進(jìn)行地震影響模擬，可以預(yù)測不同地震情景下高層建筑的響應(yīng)。這包括高層建筑的振動(dòng)模式、結(jié)構(gòu)損傷程度及非結(jié)構(gòu)元素的影響。模擬結(jié)果有助于識別建筑的潛在薄弱點(diǎn)，并為加固和改進(jìn)提供了依據(jù)。

基于風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果，制訂針對性的應(yīng)急預(yù)案至關(guān)重要，這包括地震發(fā)生時(shí)的緊急疏散計(jì)劃、關(guān)鍵設(shè)施的保護(hù)措施及緊急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)的配置。應(yīng)急預(yù)案的有效實(shí)施依賴于定期的演練和員工培訓(xùn)，確保在真實(shí)情況下能夠迅速有效地執(zhí)行。需要注意，綜合風(fēng)險(xiǎn)管理是一個(gè)持續(xù)的過程，需定期對高層建筑的抗震性能進(jìn)行監(jiān)控和重新評估。

3 結(jié)語

本文綜合探討了多項(xiàng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性能優(yōu)化策略，有助于提升高層建筑在面對地震時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。抗震工程研究的步伐并未停止，未來的科研和實(shí)踐仍面臨著諸多挑戰(zhàn)與機(jī)遇，具體為：第1，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型高性能材料將在提高建筑抗震性能方面發(fā)揮更大作用。第2，智能技術(shù)的進(jìn)步，特別是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，將使建筑的實(shí)時(shí)監(jiān)測與自適應(yīng)控制更高效和精準(zhǔn)。第3，全球氣候變化和城市化進(jìn)程的加快，對高層建筑的抗震設(shè)計(jì)提出了更高要求。設(shè)計(jì)師需要建造更安全、更可靠的高層建筑，以為保護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)安全和推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展作貢獻(xiàn)。