高层建筑结构抗震工程设计分析

郭少林

摘要：结合笔者的多年的工作经验，本文以高层建筑结构抗震为研究对象，剖析出具体的抗震策略,用材料、变形取代传统型的以力为主的设计方针，并进行了实例分析,供同行参考。

关键词：高层建筑、抗震设计、实例分析

Abstract: combined with the author's working experience for many years, this article takes the high-rise building structure seismic as the research object, and analyze the seismic out specific strategies, use material, to replace the traditional deformation mainly to force the design principles, and a practical example, refers for the colleague.

Keywords: high building, seismic design, case analysis

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

为保证结构在罕遇地震作用下不出现严重破坏，危及生命财产安全或倒塌,本文从概念设计理念出发,通过一些结构措施(隔震措施,消能减震措施)来减震,使建筑在地震中有良好而经济的抗震性能,从而提出高层建筑抗震优化设计理念及优化措施。

1高层建筑结构抗震的优化策略

在结构的抗震设计中,从概念设计,抗震验算及构造措施等三方面入手[5,6],在将抗震与消震(结构延性)结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法,直至进一步通过一些结构措施(隔震措施,消能减震措施)来减震[7]。同时抗震设计的延性要求也是设计重中之重,要设计成可局部屈服但又保持结构的整体性。在钢结构设计中,有一些基本方法能增大高层建筑抵抗侧向力和侧向位移的能力,而不需要增加成本。现分述如下：

1·1城市高层结构抗震优化设计的新方法

(1)选择合理的结构体系。一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架-剪力墙结构由延性框架、剪力墙,双肢或多肢剪力墙体系组成。

(2)减小地震能量的输入和设置消能减震构件。强烈地震之后往往伴随多次余震,如只有一道防线,則在第一次破坏后再遭余震,将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内、外部冗余度,有意识地建立一系列分布的屈服区,主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度,以使结构能吸收和耗散大量地震能量,提高结构抗震性能,避免大震时倒塌。

(3)控制地震的扭转效应,并且对层间位移加以限制。建筑的质量和刚度变化要均匀·建筑的刚度和质量分布不对称,容易在水平地震作用发生扭转震动,设计时对质量和刚度分布不连续的情况应加以限制,采取必要的构造措施。

(4)合理处理结构构件的强弱关系。同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后,其他抗侧力构件仍处于弹性阶段,使“有效屈服”保持较长阶段,保证结构的延性和抗倒塌能力。在抗震设计中某一部分结构设计超强,可能造成结构的其他部位相对薄弱,因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小,改变抗侧力构件配筋的做法,都需要慎重考虑。

(5)保证楼盖的整体性。每层楼盖应足以起水平隔板作用。我国抗震规范推荐钢结构的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋凝土组合楼板或非组合楼板,对超过12层的钢结构,必要时可设置水平支撑。

1·2对抗震结构抗侧力体系的见解

(1)对一般的高层建筑刚比柔好,采用刚性结构方案的高楼,不仅主体结构破坏轻,而且由于地震时的结构变形小,隔墙,围护墙等非结构部件将得到保护,破坏也会减轻。提高结构的超静定次数,在地震时能够出现的塑性铰就多,能耗散的地震能量也就越多,结构就愈能经受住较强地震而不倒塌。改善结构屈服机制,使结构破坏十按照整体屈服机制进行,而不是楼层屈服机制。结构设计时遵循强节弱杆、强柱弱梁、强剪弱弯,强压弱拉的原则。在进行结构设计时,应该选定构件中轴力小的水平杆件,作为主要耗能杆件,并尽可能使其发生弯曲耗能。从而使整个构件具备较大。增加结构体系的抗震性能。

(2)高层建筑设计必须将侧向变形限制在一定范围内,这是因为:更大的侧移将产生更大的附加弯矩，即P-效应更不容忽视。另外侧移大人们感到不适和恐慌;使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏,也会使电梯轨道变形。由于高层建筑高度大,地震作用影响也较大。在地震区,应使结构具有较好延性,即在地震作用下,结构进入塑性阶段,以塑性变形抵抗地震作用,又要做到结构不破坏,不倒塌。

1·3新型高性能材料的选取与运用

在地震多发区,合理选用何种建筑材料或结构体系应该得到人们的重视。高层建筑中常采用的结构体系有:框架、框架-剪力墙、剪力墙和筒体等几种体系。在国外,特别是地震区,是以钢结构为主,而在我国钢筋混凝土结构或混合结构却占了90%·钢结构同混凝土结构相比,具有较高的强度、韧性和延性,强度重量比,总体上看抗震性能好,抗震能力强。震害调查表明,钢结构较少出现倒塌破坏情况。在高层建筑中采用框架-核心筒体系,因其比钢结构的用钢量少,又可减少柱子断面,故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内往往要承受80%以上的震层剪力,有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土结构的位移值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增加了钢结构的负担,而且效果不大,有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。在高层建筑中,应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材产量已居世界前列,建筑钢材的类型及品种也在逐渐增多,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此在有条件的地方,建议尽可能采用型钢混凝土结构(SRC)、钢管混凝土结构(CFS)或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后,由于钢结构质量较轻而且较柔,为减小风振而需要采用混凝土材料,钢骨(钢管)混凝土,通常作为首选。工程经验表明:利用钢管混凝土承重柱自重可减轻65%左右,由于柱截面减小而相应增加使用面积,钢材消耗指标与钢筋混凝土结构相近,而工程造价和钢筋混凝土结构相比可降低15%左右,工程施工工期缩短1/2。此外钢管混凝土结构显示出良好的延性和韧性,起到了良好的抗震效果。

2实例剖析

位于浦东陆家嘴金融贸易区上海环球金融中心,大楼地上101层,地下3层,主楼建筑面积为252935m2,裙房为33370m2,地下室为63751m2,它是一座多功能、先进智能型的摩天大厦,建成后总高度达492米,设计建造这一超级摩天大厦是一项复杂的系统工程,尤其在结构设计方面,选用最有效的结构体系,建立完善的设计模型,使得结构抗震大大的增加了。

(1)庞大的基础:该大楼的基础形式为桩筏基础,塔楼基础采用了厚度约为4.5m的底板,地下室的外墙采用厚度约为lm的地下连续墙,原设计方案的桩基础施工已于1997年10月到1998年7月期间完成,新设计的大楼与原方案单位重量相仿。所以,新大楼仍可以建造在现有的桩基之上,由于受到现有桩基的制约,新的结构方案将采用周边剪力墙、交叉剪力墙和翼墙组成的传力体系,以求将核心筒剪力墙承受的荷载传递到主楼的四角。

图1 下部核心筒墙体（地下3层~55层）图2 中部核心筒墙体（56层~78层）

图3 上部核心筒墙体（79层~90层）

(2)巨型结构体系:巨型结构体系由位于建筑物各个角部的巨型柱,以及连接巨型柱之间的巨型斜撑构成。巨型结构体系还承担了建筑物大部分的重力荷载,巨型柱为钢骨混凝土组合结构,钢骨截面将采用热轧型钢或焊接组合截面。庞大的巨型柱位于建筑物的各个角部,它们可以非常有效地抵抗来自地震的侧向荷载。埋置于巨型柱中的钢结构能承受由巨型斜撑传来的荷载,再把这些荷载扩散到巨型柱的钢筋混凝土部分。这些巨型柱还承受由带状桁架传来的反力,同时,这些巨型柱可承担至少10层的钢结构、组合楼面及带状桁架等的自重荷载。巨型斜撑为钢管混凝土结构,其箱形截面由二块大型竖向翼缘板和两块水平连接腹板组成,翼缘板将能承受节点处的所有设计荷载,因此所有需与斜撑相连的构件可仅与其翼缘板相连接,这样大大简化了连接节点的设计。另外,箱形钢管中的混凝土增加了结构的刚度和阻尼,也节省了浇注时的模板,还能防止构件中薄钢板的屈曲。巨型斜撑除了抵御侧向荷载以外,还用于承受从周边柱子传来的重力荷载。混凝土核心筒体系核心筒采用钢筋混凝土结构,既承担重力荷载,又承担由风和地震引起的部份剪力和倾覆弯矩。同时混凝土核心筒的平面形状

沿建筑物的高度有三次改变(如图3~图5)。下部核心筒与中部核心筒的转换有3层搭接,而中部核心筒与上部核心筒的转换有2层搭接。转换区核心筒的搭接有利于荷载的有效传递,混凝土核心筒顶部88层至90层的墙体厚度有所增加,主要是为了提供足够空间让伸臂桁架能够埋置到墙体之中。

(3)优化的抗震设计:世界上所有的摩天大楼都会面临防撞、抗震挑战,上海环球金融中心自然也不例外。环球中心的结构设计以中国规范和部分美国规范为依据。结构采用了钢与混凝土的混合结构,结构体系的主要特点有:采用三重结构体系抵抗水平荷载,它们分别是由巨型柱、巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构、钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架;核心筒沿高度方向不连续(图1~图3),在56~68层及77~78层楼层处核心筒进行了二次转换,连接部分构造复杂;沿结构高度设置的三道伸臂桁架均未在核心筒内贯通; 1~5层沿建筑四周设置周边剪力墙,在6层处周边剪力墙转换为巨型柱;沿结构高度每12层设一道高度为一层的带状桁架;三维巨型框架采用了单向斜撑,巨型柱B在42层以上分叉后形成的倾斜面上未设置斜撑。因此,周边巨型框架未形成闭合体系。

根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》,该建筑总高超过了钢框架2钢筋混凝土筒体结构最大高度160m和型钢混凝土框架2钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值,该结构体系在7度多遇至7度中震地震作用下结构自振频率基本不变,结构基本处于弹性阶段;在8度大震作用下,结构局部出现混凝土开裂和压碎现象,但能维持结构不倒塌的工作状态。综合研究结果表明该结构体系满足小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防要求。因此上海环球金融中心在抵抗地震作用方面具有很强的优越性。

3结语

将传统的以力为主的设计思想优化到以材料、变形为主的设计思想,建筑的行为水准与结构变形的关系和受力关系相比,其与受力的关系更加密切。然而高层抗震结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程,任何一个过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。因此,我们应该严格按照规范要求,总结经验,使我们的抗震设计更加完善。

注：文章内所有公式及圖表请以PDF形式查看。