新型高層建筑結構與材料的抗震分析和設計

章錫鼎 殷繼偉

（沈陽市環境保護工程設計研究院，遼寧 沈陽 110000）

自從1886年世界上第一棟近代高層建筑——美國芝加哥家庭保險公司大樓（HomeIuranceBuilding，10層，高 55m）建成以來，至今已有100多年的歷史了。高層建筑不僅在材料和結構體系上逐漸多樣化，而且在高度上也有大幅度增長。而一次又一次地震災難及教訓，警示人們：防震減災任重道遠，刻不容緩。

從上個世紀開始，各國的專家、學者對抗震設計進行了一系列研究。進入90年代，結構抗震分析和設計已提到各國建筑設計的歷史日程。特別是我國處于地震多發區（地震基本烈度6度及其以上的地震區面積約占全國面積的60%），高層抗震設計設防更是工程設計面臨的迫切的任務。作為工程抗震設計的依據，高層建筑抗震分析更處于非常重要的地位。

1 樊材料的選用和結構體系問題在地震多發區，采用何種建筑材料或結構體系較為合理應該得到人們的重視。

我國高層建筑中常采用的結構體系有：框架、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系，這也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外，特別地震區，是以剛結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構幾混合結構卻占了90%.如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大的考驗。鋼結構同混凝土結構相比，具有優越的強度、韌性和延性，強度重量比，總體上看抗震性能好，抗震能力強。

震害調查表明，鋼結構較少出現倒塌破壞情況。在高層建筑中采用框架-核心筒體系，因其比鋼結構的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業主所看中。混合結構的鋼筋混凝土內往往要承受80%以上的震層剪力，有的高達90%以上。由于結構以鋼筋混凝土結構的位移值為基準。但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增加了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規范側移限值；

此外，在結構體系或柱距變化時，需要設置結構轉換層。加強層和轉換層都在本層形成剛度而導致結構剛度突變，常常會使與加強層或轉換層相鄰的柱構件剪力突然加大，加強層伸臂構件或轉換層構件與外框架柱連接處很難實現強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉換層時，要慎重選擇其結構模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

唐山鋼鐵廠震害調查資料統計參數結構形式總建筑面積（萬㎡）倒塌和嚴重破壞比例（%）中等破壞比例（%）鋼結構3.6709.3鋼筋混凝土結構 4.0623.247.9砌體結構3.0941.220.9在高層建筑中，應注意結構體系及材料的優選。現在我國鋼材產量已居世界前列，建筑鋼材的類型及品種也在逐漸增多，鋼結構的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，建議盡可能采用型鋼混凝土結構（SRC）、鋼管混凝土結構（CFS）或鋼結構（S或），以減小柱斷面尺寸，并改善結構的抗震性能。

在超過一定高度后，由于鋼結構質量較輕而且較柔，為減小風振而需要采用混凝土材料，鋼骨（鋼管）混凝土，通常作為首選。工程經驗表明：利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右，由于柱截面減小而相應增加使用面積，鋼材消耗指標與鋼筋混凝土結構相近，而工程造價和鋼筋混凝土結構相比可降低15%左右，工程施工工期縮短1/2.此外鋼管混凝土結構顯示出良好的延性和韌性。

1995 年日本阪神地震震害說明，在鋼骨混凝土構件中，采用格構式的型鋼時，震害嚴重，采用實腹式的大型型鋼或焊接工字鋼的，則震害輕微。因此，在高層建筑結構中，若用鋼骨混凝土構件，建議使用后者。

2 關于新型結構與材料的探討和應用

2.1 脊骨結構（inestructure）特別適用于具有高大門廳、空曠地下車庫，頂部階梯式的高層建筑。脊骨結構根據建筑布置條件可由支撐、外伸框架或單跨空腹梁構成，可采用全鋼或鋼筋混凝土組合體系。由于抗側力構件沿高度連續，避免了薄弱樓層，有利于結構抗震，保證剛度和穩定的抗側力構件是高層建筑的脊骨，包括豎向構件抵抗由傾覆力矩引起的軸力及由對角支撐或剛性連接的構件或抗側力的墻組成剪離膜（Shearmembrane），一個脊骨結構包括位于建筑外端少數鋼、混凝土或組合巨型柱，這些柱不應影響各樓層的使用。

巨型柱由支撐、空腹桁架或剛性連接的外伸框架梁連接成為一個脊骨結構，以下是脊骨結構組成的幾個要點。

（1）.為了有效的抗傾覆力矩及剪力，脊骨結構應當是上下貫通的。

（2）.為了有效的抗傾覆力矩，巨型柱相距越遠越好。

（3）.脊骨結構主軸應與結構主軸相重合。

（4）.樓板結構應能直接將樓層荷載傳到巨型柱以提高抗傾覆能力。

（5）.脊骨結構在平面上包括的面積應能提供良好的抗扭剛度，否則應附設周邊框架。

（6）.剪力膜（空腹梁、支撐、剛性連梁及作為脊骨的豎向構件）應不影響地下空間（車庫）并應與建筑設計相適應。

2.2 剪力膜的三種型式：

帶支撐框架（Bracedframe），巨型柱由跨過多層的對角支撐連在一起。帶外伸框架的支撐筒體（BracedcorewithoutriggerFrame）。

單跨空腹梁（FreeaingVierendeels）。不論是風力控制或地震力控制的高層建筑，脊骨結構體系都是非常有效的。可用于20層至100層的高層建筑。在國外，脊骨結構已在高層建筑中得到應用。如：美國費城53層的拜耳大西洋塔樓（BellAtlanticTower）采用全鋼脊骨結構和56層的米尼亞波里斯（Mieapolis）的西北中心（NorthwestCenter）大樓具有多層次階梯形屋頂是采用組合巨型柱脊骨結構。

鋼纖維混凝土是一種性能良好的新型復合材料，由于鋼纖維阻滯帶基體混凝土裂縫的開展，從而使其抗拉、抗彎、抗剪強度等較普通混凝土顯著提高，其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善。鋼纖維對基體混凝土的增強作用隨著纖維的體積含量、長徑比的增大而增大，但在工程實際中，纖維含量有一定限值，超過這一限值，用一般方法攪拌、成型就有困難。對于一般常用的鋼纖維混凝土，其體積含量建議取1.0%-2.0%，長徑比建議取值。應用于一些結構部位（如柱梁節點、柱子、扁梁柱節點、樁基承臺、屋面板、轉換梁、筏形基礎等）。采用鋼纖維混凝土梁柱節點的框架與普通鋼筋混凝土框架相比，結構的延性提高57%，耗能能力提高130%，荷載循環次數提高了15%，在框架梁柱節點采用鋼纖維混凝土可代替部分箍筋，既改善了節點區的抗震性能，又解決了鋼筋過密，施工困難等問題。鋼釬維幾何參數參考范圍表3鋼纖維混凝土工程類別長度（mm）等效直徑長徑比一般澆注鋼纖維混凝土20～600.3～0.930～80鋼纖維混凝土抗震框架節點35～600.3～0.950～80

結語:經濟和安全的關系，是結構抗震設計的重要技術政策。從長遠觀點看，如何從我國高層建筑抗震設計現狀及國際高層抗震設計發展的趨勢出發，探求一種新型的結構與材料的應用，應該成為地震區高層建筑發展的新方向。

[1]梁愛莉.對高層建筑結構抗震概念設計的幾點認識.徐州工程學院【期刊】科技傳播，2009-12-23.