摘 要： 在高層建筑設(shè)計中，抗震設(shè)計是必不可少的1個環(huán)節(jié)，闡述了高層建筑抗震設(shè)計思想和原則，探討了抗震設(shè)計中的細節(jié)及抗震材料。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計；原則；材料

　　中圖分類號：TU972        文獻標識碼：  A       文章編號：2095-0802-(2012)07-00  -0

　　Analysis on the Necessity of High-rise Building in Seismic Design

　　WANG Dao-xing

　　(Qinghai people's Air Defense Engineering Design and Research Institute, Xining 810001, Qinghai, China)

　　Abstract : In the design of high-rise buildings, seismic design is an essential link in the seismic design of high-rise building, this paper expounds the design ideas and principles, as in seismic design and seismic materials were discussed in detail.

　　Key words: high-rise building; seismic design; principle; material

　　1建筑抗震設(shè)計思想

　　建筑抗震設(shè)計要考慮1個地區(qū)既要有發(fā)生小震的可能，也要考慮發(fā)生大震的可能，并根據(jù)安全和經(jīng)濟的原則進行抗震設(shè)防，這就是抗震設(shè)計要確定的設(shè)計思想。中國現(xiàn)行抗震規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5001l－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。

　　1.1當建筑物遭遇低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震(或稱"小震")影響時，建筑物一般不損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；

　　1.2當遭受本地區(qū)設(shè)防烈度(或基本烈度)地震作用時，允許結(jié)構(gòu)能夠達到或超過屈服極限，經(jīng)過一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；

　　1.3 當遭遇高于本地設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震(或稱大震)影響時，建筑物不倒塌或不發(fā)生危及生命的嚴重破壞。一個地區(qū)發(fā)生超過預(yù)期的強烈地震是可能的，因此，建筑物在使用期內(nèi)，應(yīng)考慮一旦遇到這種大震而不致倒塌。

　　在罕遇地震作用下，只要結(jié)構(gòu)不倒塌，便可保護人們的生命和財產(chǎn)安全。抗震計算的目的是用定量方法估計地震反應(yīng)，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和承載能力。我國抗震規(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(yīng)譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內(nèi)力和位移，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，要用靜力彈塑性分析方法或彈塑性時程分析方法補充計算，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，再校核在大震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的設(shè)計方法，即為兩階段設(shè)計方法。

　　2抗震概念設(shè)計的原則

　　概念設(shè)計是相對于數(shù)值設(shè)計而言著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng),可以理解為運用人的思維和判斷能力,從宏觀上決定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題。抗震概念設(shè)計是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想,進行建筑結(jié)構(gòu)總體布置并確定基本抗震措施的。

　　2.1 結(jié)構(gòu)的簡單性。結(jié)構(gòu)簡單是指結(jié)構(gòu)在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑。GB50011-2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 第3.5.2條作為強制性條文要求，"結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。"只有結(jié)構(gòu)簡單，才能夠?qū)�結(jié)構(gòu)的計算模型、內(nèi)力與位移分析，限制薄弱部位的出現(xiàn)易于把握，因而對結(jié)構(gòu)抗震性能的估計也比較可靠；

　　2.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和均勻性。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）第3.4.2條要求，"建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面布置宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。"平面布置均勻規(guī)則，使建筑物分布質(zhì)量產(chǎn)生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào)，限制質(zhì)量與剛度之間的偏心。

　　2.3結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力，結(jié)構(gòu)的抗震能力則是結(jié)構(gòu)強度及延性的綜合反映。結(jié)構(gòu)剛度的選擇既要減少地震作用效應(yīng)又要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大，過大的變形會產(chǎn)生重力二階效應(yīng)，導致結(jié)構(gòu)破壞、失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力，現(xiàn)有的抗震設(shè)計計算中不考慮地震地面運動的扭轉(zhuǎn)分量，在抗震概念設(shè)計中應(yīng)注意提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力；

　　2.4結(jié)構(gòu)的整體性在高層建筑結(jié)構(gòu)中，樓蓋對于結(jié)構(gòu)的整體性起到非常重要的作用，樓蓋相當于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)，而且要求這些子結(jié)構(gòu)能協(xié)同承受地震作用，特別是當豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)布置不均勻或布置復(fù)雜或抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)水平變形特征不同時，整個結(jié)構(gòu)就要依靠樓蓋使抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)能協(xié)同工作。

　　3高層建筑抗震設(shè)計中材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

　　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。中國150 m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。中國鋼筋混凝土結(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)，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗。在高層建筑中采用框架-核心筒體系，因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業(yè)主所看中。混合結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)簡往往要承受80%以上的震層剪力，有的高達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。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)的負擔，且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實現(xiàn)強柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強層及轉(zhuǎn)換層時，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。在高層建筑中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選。現(xiàn)在我國鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，建筑鋼材的類型及品種也在逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，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，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

　　4基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

　　為了實現(xiàn)基于位移的抗震設(shè)計，第一步需要研究簡單結(jié)構(gòu)（例如框架及懸臂墻）的構(gòu)件變形與配筋關(guān)系，實現(xiàn)按變形要求進行構(gòu)件設(shè)計；進而研究整個結(jié)構(gòu)進入彈塑性后的變形與構(gòu)件變形的關(guān)系。這就要求除了小震階段的計算外，還要按大震作用下的變形進行設(shè)計，也就是真正實現(xiàn)二階段抗震設(shè)計，這是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展趨勢。

　　5不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　5.1平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)

　　5.1.1 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時（位移比超過了1.2倍的限值），應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍；

　　5.1.2 當樓板凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)，或當樓板過于狹長、平面內(nèi)變形明顯時，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型（如彈性樓板或局部彈性樓板），當平面不對稱時尚應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響。抗震構(gòu)造措施：當中央部分樓板有較大削弱時，應(yīng)加強樓板以及連接墻體的構(gòu)造措施，必要時可在外伸凹槽處設(shè)置連接梁或連接板；

　　5.2平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)

　　平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，當層剛度比不能滿足規(guī)范要求時（即該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰3個樓層側(cè)向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%），說明結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則。此時，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進行彈塑性變形分析，并應(yīng)符合下列要求：a) 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時即豎向抗側(cè)力構(gòu)件(柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（梁、桁架)向下傳遞，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)乘以1.25～1.5的增大系數(shù)；b） 樓層承載力突變時（即抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的80%），薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%；

　　6結(jié)語

　　自20世紀90年代后，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已提到各國建筑設(shè)計的日程，特別是中國處于地震多發(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)。