浅议高层抗震的设计方法

　　摘要：本文对结构抗震设计方法的发展历史进行了回顾，在此基础上探究了高层结构的抗震设防标准，并讨论文高层抗震设计的几点方法：遵循规范、注意问题、采用纤维增强混凝土。

　　关键词：高层结构抗震，抗震规范，高层抗震注意问题，纤维增强混凝土

　　1 引言

　　地震是一种突发性和毁灭性的自然灾害，它对人类社会的危害首先是引起建筑物的破坏或倒塌，导致严重的人身伤亡和财产损失;其次是引起火灾、水灾等次生灾害，破坏人类社会赖以生存的自然环境，造成严重的经济损失，产生巨大的社会影响。近十年来，地壳运动进入活跃期，世界各地都爆发了不同程度的地震，而我国更是世界上大陆地震最多的国家之一，20世纪以来，全球发生7级以上地震1200余次，其中十分之一在我国。例如，1976年7月28日的唐山7.8级地震，2008年5月12日的汶川8.0级地震，2010年4月14日的玉树地震，都给人们的生命财产安全带来巨大的损失。同时，由于地震破坏的后果严重，我国抗震规范在2008年与2010年都进行了不同程度的修正，目的是加强建筑结构的安全性。因此，为保障地震作用下人们的生命财产损失降至最低，有必要对建筑物的抗震设计进行研究，本文就高层结构的一些常用抗震设计方法进行了讨论。

　　2 结构抗震设计方法的发展

　　结构抗震设计方法的发展历史是人们对地震作用和结构抗震设计能力认识不断深化的过程，对结构抗震设计方法发展历史进行回顾，有助于对结构抗震设计原理的认识，

　　结构抗震设计方法经历了静力法、反应谱法、延性设计法、能力设计法、给予能量平衡的极限设计方法、基于损伤设计方法和近年来正在发疹的基于性能/位移设计法几个阶段[1]。这些抗震设计方法在发展阶段相互交错与渗透，对齐进行系统化整理，结构抗震设计方法可以分为以下几类[2]：

　　(1) 基于承载力设计方法

　　(2) 基于承载力和构造保证延性设计方法

　　(3) 基于损伤和能量设计方法

　　(4) 能力设计法

　　(5) 基于性能/位移设计方法

　　根据清华大学叶列平教授的研究，第(5)种方法在结构抗震设计中较前几种方法优点更为突出，并且在各国规范中应用最广泛。

　　3 高层抗震设计的设防目标

　　长期的地震观测表明，在同一地区不同强度地震的重现期是不同的。强度小的地震重现期，一般10~50年左右发生一次，即所谓频遇地震或“小震”;强度较大的地震，重现期较长，一般100~500年发生一次，即所谓偶遇地震或“中震”;而强度特别大的强烈地震，重现期一般为数千年，即所谓罕遇地震或“大震”。

　　高层建筑的使用寿命一般为50~100年，高层住宅的寿命更短，因此要求结构在“大震”作用下不破坏显然四不合适和不经济的。这就提出了对于不同强度地震的重现期，结构应具有不同的抗震性能，即所谓抗震设防目标。目前国际上公认的较为合理的抗震设防目标是：

　　(1)在频遇地震作用下，结构地震反应应处于弹性阶段，结构无损坏或轻微破坏，且结构变形很小，不会导致非结构构件的破坏，震后可无条件继续使用;

　　(2)在偶遇地震作用下，结构和非结构构件损伤在一定限度内，震后经修复可继续使用;

　　(3)在罕遇地震作用下，结构不产生倒塌，非结构构件无脱落或落下，保证人身安全，

　　上述抗震设防目标与我国抗震设计规范中的“三水准”即“小震不坏，中震可修，大震不倒”是一个含义。现在的问题是这种单一的抗震设防目标已不能适应现代工程结构对抗震性能的需求。许多重要建筑对大震作用下的性能要求也不再是不倒塌，而是应满足一定性能指标要求，以保证其仍具有一定的建筑功能和使用功能，这即是基于性能抗震设计方法研究的目的。

　　4 高层抗震设计方法的几点讨论

　　4.1 遵循建筑抗震设计规范

　　建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结，是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算，结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件。它既反映了各个国家经济与建设的时代水平，又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然收抗震有关科学理论的引导，向技术经验合理性的方向发展，但它更是具有坚定的工程实践基础，把建筑工程的安全性放在首位。正是基于这种认识，现代规范的条文有的被列为强制性条文，有的条文中应用了“严禁、不得、不许、不宜”等体现不同程度限制性和“必须、应该、宜于、可以”等体现不同程度灵活性的用词。任何结构的抗震设计都必须以抗震规范为基础，按其规定条文执行。

　　4.2 高层建筑抗震设计应注意的问题

　　高层建筑结构应根据房屋高度和高宽比、抗震设防类型、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术条件等因素考虑其适宜的结构体系，高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制，在设计过程中应注意以下几点：

　　(1) 应当注意抗震缝的设计，必须留有足够的防震缝宽度;

　　(2) 平面形状和刚度不对称，会是建筑物产生显著的扭转、震害严重，设计中应避免这种情况，不能避免时应对抗震薄弱处进行加强;

　　(3) 凸出屋面的塔楼受高振型的影响，产生显著的鞭梢效应，破坏严重，设计中加以注意;

　　(4) 高层部分和底层部分之间的连接构造是否合理;

　　(5) 框架柱截面太小、箍筋不足、柱子的延性和抗震能力不够等容易导致剪切破坏或柱头压碎;

　　(6) 沿竖向楼层质量与刚度变化太大容易导致楼层变形过分集中而产生破坏;

　　(7) 地基的稳定性尤为重要;

　　(8) 伸缩缝和沉降缝宽度过小(W昂王与防震缝一切三缝合一)使得碰撞破坏很多;

　　(9) 不应在建筑物端部设置楼梯间，楼板有大洞口会因刚度不均匀而产生扭转;

　　(10) 中间部分楼层柱子截面和材料改变或取消部分剪力墙，都会产生刚度或承载力的突变，形成结构薄弱层。

　　4.3 采用纤维增强混凝土

　　对于高层建筑，混凝土材料由于其自身缺陷，地震作用下易于发生脆性破坏，引起结构损伤，因此从建筑材料角度分析，可以在某些关键部位采用韧性材料代替混凝土提高整体结构的吸收能量能力与抗震能力。抗震建筑材料必须具备轻质、高强、高韧性特征，例如，木材、轻钢、型钢、钢筋混凝土、复合材料等都可以从某些方面达到抗震目的。而在我国，森林覆盖面积少，人居木材占有量少，而钢材成本较高，这些材料的使用都有相当的局限性。而在钢筋混凝土结构的关键部位采用一些韧性较高、延性较好、抗性强度高的纤维增强混凝土对提高结构的抗震性能具有非常明显的作用[3]。目前，我国的纤维增强混凝土种类繁多，例如，钢纤维混凝土、聚丙烯增强混凝土、聚合物增强砂浆、超高韧性水泥基复合材料等，这些材料的研究与发展对高层结构的抗震也起着重要作用。

　　5 结束语

　　本文在回顾结构抗震设计方法发展历史的基础上，探究了高层结构的抗震设防标准，并讨论文高层抗震设计中应该注意的问题。高层抗震是个很复杂的课题，涉及的考虑因素众多，由于笔者参加工作时间较短，相关工程经验较少，本文仅提供一般性的参考，如有不到之处，敬请指正。

　　参考文献

　　[1] 白绍良. 对新西兰、欧共体、美国、日本和中国规范钢筋混凝土结构抗震条文的初步对比分析. 重庆大学, 2000.

　　[2] 小古俊介, 叶列平. 日本基于性能结构抗震设计方法的发展. 建筑结构, 2000年第6期.

　　[3] Parra-Montesinos G.. High Performance Fiber Reinforced Cement Composites: an Alternative for Seismic Design of Structures. ACI Structural Journal, 2005, 102(5):668-675.

　　[4] 国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001(2010年版).

　　[5] 行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JG J3-2002、J186-2002.

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