淺談高層鋼結構建筑抗震設計

王暉 張麗娜

摘要：本文主要通過介紹高層鋼結構建筑的抗震設計理念，分析其發生震害的原因及破壞形式，得出常規的抗震設計思想理念已經不能滿足現在高層鋼結構建筑對抗震功能的深層次要求，為了更好的強化結構抗震的安全目標和提高結構抗震的功能要求，經過對比看出基于性能的抗震設計能能夠更好地實現這些要求，減少地震給人們帶來的災難并且降低經濟損失。

關鍵字：高層鋼結構建筑；抗震設計；震害；基于性能

中圖分類號：TU97 文獻標識碼： A

1. 高層鋼結構建筑抗震設計理念

建筑結構的抗震設計包括三個方面：一是概念設計，即把握抗震設計的主要原則，彌補由地震作用和結構地震反應的復雜性而造成抗震計算不準確的不足；二是抗震計算，為抗震設計提供量的保證；三是構造措施，為抗震概念及計算提供有利的保障。

高層建筑鋼結構抗震設計基本原理：保證結構的完整性，提高結構的延性以及設置多道結構防線。

高層鋼結構應采用全剛接框架，當結構剛度不夠時，可采用中心支撐框架、鋼框架混凝土芯筒或鋼框筒結構形式；但在高烈度區（8度和9度區），宜采用偏心支撐框架和鋼框筒結構，從而保證結構具有較好的延性。對于鋼框架支撐結構及鋼框架混凝土芯筒結構，鋼支撐或混凝土芯筒部分的剛度大，可能承擔整體結構絕大部分地震作用力。但鋼支撐或混凝土芯筒的延性較差，為發揮鋼框架部分延性好的作用，承擔起第二道結構抗震防線的責任，要求鋼框架的結構承載力不能太小，為此框架部分按計算得到的地震剪力應乘以調整系數，達到不小于結構底部總地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值1.8倍兩者的較小值。高層鋼結構和混凝土結構一樣也要滿足以下三個原則即強柱弱梁的原則（保證梁端的破壞先于柱端的破壞）、強剪弱彎的原則（彎曲破壞先于剪切破壞）以及強節點弱構件的原則（構件的破壞先于節點的破壞）。

建筑的平面布置宜簡單規則，并使結構各層的抗側力剛度中心與質量中心接近或重合，同時各層的剛心和質心接近在同一豎直線上，建筑的開間和進深宜統一。高層鋼結構建筑不宜設置防震縫，但薄弱部位應注意采取措施提高其抗震能力，如當結構平面布置不規則時，可設置防震縫。

2. 高層鋼結構建筑主要震害特征及分析

鋼結構的強度高、延性好、重量輕、抗震性能好?？偟膩碚f在同等場地、烈度條件下，鋼結構房屋的震害較鋼筋混凝土結構房屋的震害要小。例如在墨西哥的高烈度區內有102幢鋼結構房屋，其中59幢為1957年以后所建，在1985年9月的墨西哥大地震中，1957年以后建造的鋼結構房屋倒塌或嚴重破壞的不多，而鋼筋混凝土結構房屋的破壞就要嚴重得多。

高層鋼結構在地震中破壞形式有節點連接破壞、構件破壞及結構倒塌。節點連接破壞中一種是支撐連接破壞，一種是梁柱連接破壞。1978年日本宮城縣遠海地震造成鋼結構建筑的破壞更多是支撐連接破壞。1995年日本的阪神地震造成了很多梁柱剛性連接破壞。高層建筑鋼結構構件破壞主要表現為支撐壓屈（支撐在地震中所受的壓力超過其屈曲臨界力時即發生壓屈破壞）、梁柱局部失穩（梁或柱在地震作用下反復受彎，在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發生翼緣局部失穩破壞）、柱水平裂縫或斷裂破壞。1995年日本阪神地震中，位于阪神地震區蘆屋市海濱城的52棟高層鋼結構住宅，有57根鋼柱發生斷裂，其中13根鋼柱為母材斷裂，7根鋼柱與支撐連接處斷裂，37根鋼柱在拼接焊縫處斷裂。結構倒塌是地震中結構破壞的最嚴重的形式。鋼結構建筑盡管抗震性能好，但在地震中也會發生倒塌。1985年墨西哥大地震中有10幢鋼結構房屋倒塌，1995年的日本阪神地震中也有鋼結構房屋倒塌。

3. 常規的抗震設計與基于性能的抗震設計的對比

為了更有效地將地震所帶來的災害及損失降低，隨著對地面運動特征和結構地震反應特征認識的不斷深化，高層建筑抗震設計思想也在不斷完善，美國從上世紀90年代陸續提出了一些有關抗震性能設計的文件（如ATC40、FEMA356、ASCE41等），近幾年由洛杉磯市和舊金山市的重要機構發布了新建高層建筑（高度超過160英尺、約49m）采用抗震性能設計的指導性文件。2008年美國一學術組織“國際高層建筑及都市環境委員會（CTBUH）”發表了有關高層建筑（高度超過50m）抗震性能設計的建議。日本從1981年起已將基于性能的抗震設計原理用于高度超過60m的高層建筑。高層建筑采用抗震性能設計已形成一種發展趨勢。

我國常規抗震設計方法是滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標，按指令性、處方形式的規定進行設計，通過結構布置的概念設計、小震彈性設計、經驗性的內力調整、放大和構造以及部分結構大震變形驗算，即認為可實現預期的宏觀的設防目標，但隨著新技術、新材料、新結構體系的發展，這種抗震設計方法已經不能很好地滿足現在高層建筑的抗震功能的深層次要求，更加不能有效地控制地震所造成的損失。

基于性能的抗震設計理論是20世紀90年代初由美國學者提出，按此理論設計的結構在未來的地震災害下能夠維持所要求的性能水平。基于性能的抗震設計理論是一種更加合理的設計理念，它將抗震設計以保障人民生命安全為基本目標轉化為在不同風險水平地震作用下滿足不同的性能目標，通過多目標、多層次的抗震安全設計來最大限度保障人民生命安全，采用多個預期的性能目標，包括結構的、非結構的、設施的各種具體性能指標，由業主選擇具體工程的預期目標，而且提出了符合預期性能要求的論證，包括結構體系、詳盡的分析、抗震措施和必要的試驗，并經過專門的評估予以確認。通過對兩者的分析比較可以看出基于性能的抗震設計的優越性，它代表了未來結構抗震設計的發展方向。

4. 結語

通過以上的闡述及分析我們可以看到基于性能的抗震設計能夠更好的強化結構抗震的安全目標和提高結構抗震的功能要求，在新修訂的建筑抗震設計規范中也得到了體現，然而基于性能的抗震設計也存在一些問題，例如地震作用的不確定性，結構分析模型及參數選用存在不少經驗因素，模型試驗以及震害資料的欠缺，存在的這些問題都需要進一步的改進與完善，從而減少地震所帶來的災害與損失。

參考文獻：

[1] 李國強建筑結構抗震設計 中國建筑工業出版社 2009

[2] 陳忠范高層建筑結構 東南大學出版社 2008

[3] 史慶軒高層建筑結構設計 科學出版社 2006

[4] 沈蒲生高層建筑結構設計 中國建筑工業出版社 2006

[5] 沈小璞高層建筑結構設計 合肥工業大學出版社 2006

[6] 高立人高層建筑結構概念設計中國計劃出版社2005