浅析高层建筑结构抗震设计中的若干问题_高层建筑结构与抗震试题

　　摘 要：本文分析和讨论了现行高层建筑结构抗震分析和设计中应注意的一些问题，并对高层建筑结构抗震设计的发展提出了几点看法。　　关键词：高层建筑结构；抗震设计　　
　　随着经济的发展和社会需求的多样性，建筑的高度越来越高，体型变得更加复杂，抗震设计也变得愈加重要；从20世纪最初提出的简单抗震设计思想，到目前国际上普遍认可的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计理念，再到基于性能的抗震设计思想，结构抗震设计经历两次质的飞跃。我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防是工程设计面临的迫切任务，作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗震分析处于非常重要的地位。
　　1 高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容
　　我国现行抗震设计规范（GB50011-2010）要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下（小震），按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力和位移，并用极限状态方法设计构件。对于重要建筑或有特殊要求时，要用时程分析法补充计算，并进行大震作用下的变形验算。这种先用多遇地震作用进行结构设计，再校核罕遇地震作用下结构弹塑性变形的方法，即二阶段设计方法。同时规范还规定了结构在罕遇地震作用下结构弹塑性变形的结构弹塑性分析方法。
　　结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析（时程分析）和弹塑性静力分析两大类。
　　2 高层建筑结构抗震设计中的一些问题
　　2.1 高度问题
　　按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定，在一定设防烈度和结构形式下，钢筋混凝土高层建筑有一个适宜的高度。这个高度是目前我国建筑科研水平、经济发展水平、施工技术水平下，比较稳妥的。实际情况下，有很多混凝土高层建筑的高度超过了这个限值，对于超限建筑物，应当采取科学严谨的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台实验。在地震力作用下，超限建筑物的破坏形态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，许多对其有影响的因素将发生质变。
　　2.2 抗震变形验算中的位移问题
　　高层建筑结构抗震变形验算中，任一楼层的位移（含顶点位移）是相对结构固定端（基底）的相对侧向位移；层间位移是上、下层侧向位移之差；层间位移角是层间位移与层高之比值。抗震计算中对结构侧向位移有顶点位移和层间位移角双重要求。实践表明，如果层间位移角得到有效控制，结构的侧移安全性和适用性均可得到满足。同时，规范对150m以上的高层建筑提出了舒适度要求，即增加了结构顶点风震加速度的限制条件。楼层位移、层间位移角的要求时从宏观上保证结构具有必要的侧向刚度，结构构件基本处于弹性工作状态，非结构构件不破坏。
　　目前，层间位移没有考虑由于结构整体转动而产生的所谓无害位移的影响。但实际上，对高度较高的高层建筑，结构整体弯曲引起的侧移影响是不可忽视的。规范对楼层层间位移角控制条件，采用了层间最大位移计算，考虑了扭转的影响。抗震设计中，核算楼层层间位移角限制条件时，可不考虑质量偶然偏心的影响，主要考虑到，新规范采用楼层最大层间位移控制层间位移角已经比原规程JGJ3-91严格，而侧向位移的控制是相对宏观的要求，同时也考虑到与《抗震规范 》等国家标准保持一致。
　　2.3 轴压比与短柱问题
　　在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制轴压比而使柱截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造钢筋。即使采用高强混凝土，柱截面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱处于大偏压状态，防止受拉钢筋未屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小，结构的延性就差。遭遇地震力作用时，耗散和吸收地震能量小，结构容易受到破坏。许多高层建筑中虽然底部几层柱长细比小于4，但不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比M/Vh≦2的柱才是短柱；有专家提出现有抗震规范应采用较高轴压比，但是即使能调整柱轴压比限值，柱断面并不能因为略微提高轴压比限值而显著减小。
　　2.4 结构体系问题
　　在地震多发区，采用何种结构体系应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框-筒、筒中筒和框架-支撑），这些也是其他国家高层建筑采用的结构体系。但国外特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%.如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验；混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形抗震要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。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测移，不但增大了钢结构的负担，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。此外，在结构体系和柱距变化时，需要设置结构转换层。
　　2.5 在某些烈度区采用了较低的抗震措施与构造措施
　　现在许多专家提出，现行的建筑结构安全度已不能适应国情的需要，主张“建筑结构的安全度水平应该大幅度提高”。
　　设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限，我国建筑结构抗震设计除了设防烈度低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力和一系列保证抗震延性的要求上，与外国相比，也有异同。随着社会财富的增长，有人主张结构在设防烈度下应采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震措施和抗震构造措施来保证结构的安全。
　　3 高层建筑结构抗震设计的新趋势
　　3.1 动力时程响应分析的状态空间迭代法
　　这种方法把现代控制理论中的状态空间理论应用到高层建筑结构动力响应问题，根据结构动力方程，引入位移与速度为状态变量，导出状态方程，给出非齐次方程的解，进而建立状态空间迭代状态格式。经工程实例验算，具有较高精度。
　　3.2 材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析
　　该方法从结构整体性出发，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性，烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。研究成果可用于对现有的结构进行抗震可靠度评估，并可用于指导基于可靠度理论的结构抗震设计。
　　4 结 语
　　经济与安全的关系，是结构抗震设计的重要关系；从长远看，如何从我国高层建筑抗震设计现状的趋势出发，探求一直切实使用的二步或三步设防的合理的抗震分析设计方法，应该成为地震区高层建筑发展的新方向。