分析建筑結構抗震設計關鍵問題

侯文正

摘要：針對建筑結構抗震設計，在簡單介紹建筑結構體系及要求的基礎上，提出層間位移角限值與最小地震剪力兩個設計關鍵問題，為有效提高建筑結構抗震設計水平提供參考借鑒。

關鍵詞：建筑結構；抗震設計

建筑如果因地震而倒塌將造成巨大傷亡和損失，尤其是高層與超高層建筑，所以必須格外重視其抗震設計，但超高層建筑不同于普通高層建筑，在很多方面都存在需要進一步分析的問題，解決這些問題對保證設計質量有重要作用。

一、結構體系

從實踐與理論中可以看出，在保證經濟合理性的基礎上，每個結構體系都有其適合的應用范圍：（1）抗側力類型為無空間作用時，常用結構體系有框架結合剪力墻、純框架、純剪力墻等，在高度不超過200m的情況下使用；（2）抗側力類型為部分空間作用時，常用結構體系有框架結合核心筒、框筒與分散式獨立筒等，在200-300m的高度范圍內使用；（3）抗側力類型為明顯空間作用時，常用結構體系有筒中筒、巨型結構等，在300-400m的高度范圍內使用；（4）抗側力類型為增強空間作用時，常用結構體系有筒中筒結合伸臂加強層、支撐框架結合核心筒、成束筒等，在400m以上的情況下使用[1]。

以上適用范圍并非嚴格界定，表現為剛度方面存在很大可以進行調節的空間，設計中需要綜合考慮建筑使用功能等因素，和機電等相關專業相互配合深入分析設計方案，經比較確定最佳的設計方案。

從結構基本概念角度講，對建筑而言，其增強側剛度應綜合考慮下列幾方面：第一，優先考慮有較強空間作用的體系，使對傾覆彎矩有較強抵抗作用的構件保持在軸壓的狀態，并非受彎與受拉；第二，對傾覆彎矩有抵抗作用的豎向構件應設于結構外側邊緣；第三，確保更多的豎向作用力能傳遞至對側向傾覆力有抵抗作用的豎向構件；第四，對豎向構件而言，應采用剛性連接來承受作用力，以削弱剪力滯后效應造成的影響；第五，在條件允許的情況下，對不同的結構體系進行相互結合[2]。

二、層間位移角限值

它在現有的規范體系當中屬于綜合性剛度分析指標。在50年一遇小震情況中，其層間位移角和50年回歸期風荷載情況中對應的位移角應保持相同，一方面要確保主結構處在彈性的狀態，防止豎向構件產生裂縫，或減小水平構件裂縫嚴重程度；另一方面要保證所有非結構構件的安全性與完好性，且基礎設施等正常使用。大震條件下，建筑尤其是超高層建筑不發生倒塌與整體性方面的要求同樣是通過這一位移角實施綜合判斷。需注意，因建筑中的特殊區域產生的彎曲變形現象沒有主導性的作用，所以對此類特殊區域進行的變形判斷應根據剪切層間位移情況。

三、最小地震剪力

現行規范對建筑結構在一定地震條件下的地震剪力提出了明確要求。通過對規范說明的了解得知，提出這一要求的目的在于長周期情況下加速度反應譜以較快速度下降，但其結構大多由位移與速度決定，為了保證安全性，需要規定最小地震剪力。從概念的角度講，該做法能用于超高層建筑，尤其是長周期性質的。如果高層建筑最小地震力無法滿足要求，則應通過內力的增加來保證安全度[3]。

因結構剛度和地震剪力有重要關系，所以規范要求如果最小剪重比沒有達到要求，且與要求相差較大時，應對結構布置進行調整，或者是增加一定的剛度，不可只通過對系數的增大來完成抗震分析與設計。超高層建筑屬于特殊結構，其最小剪力要求與設計方法在一定程度上是有爭議的。

1.建筑高度和剪重比。

以某建筑為例進行分析，通過對結構的分析可得，在場地相對較好，并且特征周期不長的區域，高度不超過400m的建筑，通過對結構抗側剛度的適當增加，或使用新型輕質材料，較易符合剪重比要求；當高度超過400m，但在500m以下時，則難以滿足要求，但不包括抗側剛度主要由風荷載進行控制的情況，否側必須增加相應的材料；而超過500m的建筑，為盡可能滿足規范的要求，需選擇具有極強抗側剛度的體系，這樣可能會增加一定材料的使用量。此外，在這種情況下，由地震作用及風荷載控制的層間位移，對抗側剛度將失去控制作用。

2.建筑場地和剪重比。

現行技術規范當中對剪重比提出的要求為強制規定，不分場地的類型。在這種情況下，如果建筑的周期較長，則在設計過程中就會遇到如表1所示的問題。通過試算分析可知，模型于7度地區剪重比不小于0.08%，在設計過程中應增強側向剛度來滿足底限要求，但如果同樣的建筑、同樣的烈度，建設在場地條件相對較差的地區，其剪重比為1.06%，符合要求，無需對剛度進行增強。通過對比分析可知，若場地條件不同時采用相同的剪重比要求，則會出現以下情況：場地條件好的不容易滿足要求，而場地條件差的則容易滿足要求。因此，在設計中，還應考慮場地條件因素[4]。

表1中，false表示地震影響系數；false表示特征周期；

false表示剪重比要求；false表示剪重比要求的計算值。

3.阻尼比和剪重比。

新的技術規范指出剪重比可以不考慮阻尼比，同時屬于最低要求，消能減震結構同樣必須滿足這一要求。設計過程中，因建筑阻尼比較低時無法滿足剪重比，在此基礎上繼續通過消能設計來減小地震響應會使剪重比更無法達到要求。對最小剪力提出的限制要求本質上制約了消能技術在實踐中的應用，通過對現階段技術實際應用情況的了解發現，謹慎同樣是一種合理的做法。

四、結束語

綜上所述，超高層建筑和高層與普通建筑有本質上的不同，尤其是在抗震設計方面，需要注意很多方面的問題。只有在設計中綜合考慮每一項因素，并滿足規范提出的各項要求，才能保證抗震設計質量，使建筑結構具有良好的抗震能力。

參考文獻：

[1]毛俊義.鋼筋混凝土超高層建筑結構抗震設計研究[J].低碳世界，2017（21）：124-125.

[2]劉皓.建筑結構中抗震設計體會與概念設計應用[J].四川建材，2017，43（06）：38-40.

[3]邱子龍.關于建筑結構抗震設計若干問題的討論[J].建材與裝飾，2016（08）：76-77.

[4]李振子.建筑結構抗震設計的基本要求及解決方案[J].居業，2015（24）：63-64.