高層建筑抗震的設計方法探討
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【摘要】由于地震災害帶來的危害十分嚴重，而我國許多地方又屬于地震活躍地帶，為了提高房屋的抗震性，需要采用科學的設計方法以提高房屋的抗震性能，由此促進我國抗震設計水平的進步與發展。本文首先分析了抗震設計的重要性，其次闡述了基于性能的抗震設計方法，最后結合實例闡述了基于性能的抗震設計方法在高層建筑設計中的應用。
【關鍵詞】高層建筑；結構設計；性能；抗震設計
1引言
對于地震的研究，我國起步較早，東漢時期偉大的天文學家張衡發明了地動儀。我國傳統的隔震減震方法是采用抗震結構體系，通過加強結構的抗剪切承載能力，以提高建筑物的結構強度來抵抗地震對建筑物的影響，避免建筑物在地震中坍塌。如今，隨著科技迅猛發展，基于性能的建筑結構抗震技術取得了長足進步，其相對于傳統的抗震減震技術，有著許多突出的優勢，能夠更好的提高建筑物的抗震減震能力。
2抗震技術在房屋建筑結構設計中的應用的必要性
我國是世界上地震頻發的國家，每年，地震造成的損失數以億計，地震的存在嚴重威脅到人們的生命安全和財產安全，其不可準確預測性和巨大破壞性給我國的許多建筑物和構筑物造成了巨大的威脅。國家抗震規范中明確規定：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，對于小型地震，要求是在地震中建筑物和構筑物不發生破壞，不影響主體結構的受力性能[1]；對于中型地震，要求是建筑物和構筑物在地震后能夠通過修理可繼續使用；對于大型地震，要求是建筑物和構筑物在地震中不倒塌。房屋結構作為住宅建設中最關鍵的部分，合理的設計可以保證房屋的安全系數，從而提高整個工程的質量。建筑物在設計時，除遵循“經濟、實用、安全”的總原則外，具體還要以抗震設計原則為依據，結合地震本身的特點，明確清晰的設計思路，以應對自然災害，確保結構安全。
3基于性能的抗震設計方法概述
在基于性能的抗震設計理論的發展過程中，目前世界范圍內土木工程界形成了并經過論證認可的抗震設計方法主要包括：綜合設計方法、基于性能可靠度的分析方法、基于位移的設計方法、延性系數設計法。①綜合設計法。該方法的核心思想就是根據已有的自然環境條件以及地震動參數，選擇出結構抗震性能目標。對性能目標進行反復的論證，最終確定出結構構件的截面尺寸大小，從而指導結構抗震設計。②基于性能可靠度的分析方法。該分析方法的核心思想就是將承載能力極限狀態和正常使用極限狀態對應上基于位移抗震設計的具體位移數值，從而使兩個極限狀態理論在基于位移抗震設計上得到定量化。③基于位移的抗震設計方法。該方法的核心思想就是將結構抗震采用的結構整體位移及層間位移角目標進行量化，由整體位移和層間位移角控制結構構件的截面和配筋。④延性系數設計法。該方法是在基于承載力（強度）設計的基礎上，對建筑結構在罕遇地震時產生的非線性變形，結構構件產生的延性反應進行研究。建筑結構在罕遇地震作用下產生的延性反應，有利于減小、吸收、耗散地震作用，進而減少對房屋結構的損害，有效防止建筑物在罕遇地震下作用下倒塌[2]。
某綜合性辦公大樓，建筑總面積約為4.2萬m2，建筑主體為40m×32m的矩形平面，結構形式為混凝土框架－剪力墻體系。主樓層數為20層，其中地下3層為停車庫，地上17層為辦公區，裙房為4層。建筑物抗震設防烈度為7度（0.10g），設防類別為丙類，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s。4.1結構基本信息及模型建立該建筑地面以上為17層的主樓，主要用途為辦公場所，主屋面的高度為63.6m。東西兩側各設置有4層裙房，裙房頂標高16.3m。該建筑地面以下的高度為13.2m，主要作為地下停車庫，其中人防區域設置在地下三層，從地下三層往上的層高分別為4.5+4.5+4.2m。主樓一層層高4.5m，二層層高4m，3~6層的層高為3.9m，7～16層層高3.5m，17層層高是4.5m。主樓在1～2層中間16m×16m的范圍內設置了挑空的中庭，中間不容許設置結構柱，需要在二層頂設置轉換桁架。工程基本雪壓值：0.0kN/m2（n=50），基本風壓值時0.70kN/m2（n=50，粗糙類別為B類），該建筑的剪力墻、框架的抗震等級均為二級。用PMSAP軟件建立計算模型，對結構進行設計分析，然后選擇不同的地震波對建筑結構進行性能化分析，最終用sap2000對結構的計算結果進行復核。結果表明兩種軟件的計算結果比較接近，差異在工程許可的范圍內，同時按照最不利設計的原則對結構進行配筋。4.2結構計算分析主樓二層樓板局部開大洞，為不連續樓板，需加強洞口周邊鋼筋混凝土梁的配筋，同時提高周圍樓板的厚度和配筋。樓板開大洞造成出現躍層柱，需提高躍層柱的配筋。轉換柱由于對承載力要求高，應選擇使用型鋼混凝土柱，型鋼截面為HM400×200×8×13。底部加強區的剪力墻厚度取值較大一些，且最小配筋率取為0.35～0.4%，可以保證地面以上首層和第二層不出現薄弱層。通過彈性時程分析法（選取三組地震波），對結構中的薄弱環節進行補充計算，同時調整框架結構的配筋，讓建筑框架承擔部分地震剪力，可使結構形成兩道有效的承載力防線，4.3主要抗震計算結果高層建筑抗震設計是一項復雜而又系統的過程，必須進行如下幾點工作：①根據結構各個部分的受力分布情況和最大位移分布特點，分析結構受力的不利情況并予以加強；②確保建筑的剪重比和剛重比等指標符合抗震規范的要求；③調整軟弱地基地震剪力系數，確保建筑結構的剛度。從PMSAP的計算結果看，小震作用下建筑物最大的層間位移限值為1/948，罕遇地震作用下建筑的層間位移限值為1/125，均滿足國家規范的相關要求。在中震作用下，框架梁和連梁出現受彎承載力不足的問題，受剪承載力仍可以滿足要求，但比較接近限值[3]。而框架柱（包括轉換柱）和剪力墻均處于彈性狀態。從SAP2000的計算結果看，小震作用下建筑物最大的層間位移限值為1/1023，罕遇地震作用下建筑的層間位移限值為1/134，比PMSAP的計算結果更小，同樣可以滿足國家規范的相關要求。而且兩者的計算結果都反應出轉換柱和轉換桁架都是比較薄弱的構件，需要特別加強。
5結束語
高層建筑高度更高、結構更復雜、人員活動更多，地震作用對建筑的危害也就更大，所以對高層建筑的設計要求更高。高層建筑在注重抗震概念設計的時候，也需要結合具體的施工環境、地理環境，確保高層建筑的設計達到安全性、適用性、經濟性和美觀性的完美結合，這也正是設計師們在努力創新時源源不斷的動力。
參考文獻
[1]徐其功，蔡輝，李爭鵬.基于性能的高層建筑鋼結構抗震設計研究[J].鋼結構，2015，30（7）：70~75.
[2]趙彤.高層建筑結構基于性能抗震設計思想的應用[J].結構工程師，2011，27（2）：15~22.
[3]李赫男.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].黑龍江科技信息，2013，38（24）：188.
作者:王暄 單位:長沙市規劃設計院有限責任公司