超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究

吕毅

[摘 要]我国是地震灾害的多发国，而建筑结构物的倒塌则是地震灾害的直接体现，往往造成人民生命财产的巨大损失。因此提高地震多发区建筑结构物的抗震性能一直都是国内建筑设计的研究热点。本文简要阐述了当前国内外的抗震设计理论，介绍了进行场地选择的方法与基本原则，并着重从提高建筑物的规则性、提升建筑结构物的整体刚度、保证建筑物具有足够大的延性三个方面具体介绍了提高建筑结构抗震新能的几种设计方法。

[关键词]建筑结构；抗震；设计方法

中图分类号：TU973.31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0211-01

1 引言

在开展抗震救灾工作的过程中，保证建筑结构物的抗震性能就是保证抗震防灾工作取得胜利的第一道防线。地震灾害最主要根源就在于地震会导致地面建筑结构物的倒塌，从而对人民的生命财产带来重大损失。所以，提升建筑结构物的抗震防倒塌能力，是地震多发区防灾减灾工作的重中之重，也是做到对地震灾害防患于未然的根本所在。

2 建筑结构物的抗震设计理论简介

上世纪90年代，美国相关领域的研究学者针对建筑结构物的防震设计提出了基于性能的抗震设计。其基本思想是在将来可能发生的地震灾害下使其设计出的建筑结构物能保证抗倒塌变形的基本性能水平。该设计方法很好地解决了当前抗震规范所具有的局限性问题，该设计理论对建筑结构物的性能要求进行了明确规定，但对实现这些性能要求的方法与手段不做限制。因此，在这种思想的指导下，很多新材料、新方法、新设计理念都可以得到充分的应用。

而国内建筑结构防震设计的基本原则简单点说，则可以概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，所谓“小震不坏”，是说在地震等级和烈度较低时，建筑能够抵御这样的地震而不产生任何破坏；所谓的“中震可修”，则是指在中等破坏水平的地震荷载作用下，房屋建筑的主体结构能够保持不被破坏，房屋还可以进行修缮，继续使用；而最后一条的“大震不倒”则是指在高烈度的强地震荷载作用下，房屋不散架倒塌，从而能够最大限度的保障人民生命财产的安全。

从建筑结构物受力的角度来看，我们又可以对这样的三条原则做出新的理解，即当地震等级较低时，建筑结构可以保持弹性工作状态，可采用弹性体系理论来对其受力进行分析。而当建筑结构物所受地震烈度处于中等水平时，结构超过屈服极限，产生塑性变形，但是这一变形仍旧处于一定的可控范围内，地震过后所产生的永久变形并不十分明显。而第三条相应的我们亦可理解为，当遭遇到高强度等级的大地震或特大地震时，设计的建筑结构仍能满足塑性变形不过大，不超过建筑结构的临界变形水平，从而能够保证房屋建筑结构不散架倒塌的要求。

3 建筑结构物场地选择的原则与方法

3.1 建筑结构物场地选择的原则

建筑结构物抗震设计场地选择的基本原则主要有四点，分别是：1、要选择对防震设计有利的地段，尽量选择土基坚实的场地并避开陡崖和斜坡；2、当不能避开上述不利地段时，应根据防震设计类别、地基液化的程度来采取相应的土基加强措施；3、当建筑结构物所处地基内部有软弱粘性土层、新近填土或严重不均匀土层存在时，应先对地震可能造成的地基不均匀沉陷或其它的一些不利影响因素进行评估并采取相应的预防加固措施，以此来稳定土基；4、在进行建筑结构物的基础设计时，要注意不能在性质差异较大的地基土体中安装相同的结构单元。在进行桩基的设置时也应注意不可以部分采用天然地基，部分采用桩基。

3.2 建筑结构物场地选择的方法

要提高建筑结构物的抗震性能，先要选择合适的建筑场地，要避开软弱土基等不利于抗震的场地，以尽量减轻地震灾害对建筑结构物的影响。而要识别不利于抗震的建筑结构物场地，首先要对场地的类型进行区分。目前，国内区分场地类别的方法主要有土层等效剪切波速判定法和场地覆盖土层厚度判定法两种。

（1）土层等效剪切波速的判定方法

建筑结构物下土层等效剪切波速的测量要求包括：1、在对建筑结构物的场地进行初步勘察时，控制性钻孔的数量应为测量同一处地质单元上大面积土层剪切波速钻孔数量的3～5倍，不方便进行测量的地区钻孔数量可适当减少，但总数也不应该少于3个；2、在对建筑结构物场地进行详细勘察时，测量单幢建筑物土层剪切波速

的钻孔数至少要有2个；而对于建筑小区中的密集构筑物群，钻孔数量可适当减少，但必至少须保证每栋建筑结构物下有一个钻孔。

（2）建筑结构物场地覆盖土层厚度的确定

建筑结构物场地的覆盖土层厚度应根据以下两项要求来确定：1、建筑结构物场地覆盖土层厚度应按照剪切波速大于500m/s 的建筑结构物的土层顶面到地面的垂直距离来确定；2、当地面以下5米处土层的剪切波速比其相邻的上土层的2.5倍大，并且其下相邻的土层剪切波速大于400m/s 时，建筑结构物场地的覆盖层厚度可根据地面到该土层顶面的距离来确定。

根据上述两种方法来划分的建筑结构物场地类型如表1所示：

4 提高建筑结构抗震性能的设计方法

4.1 提高建筑结构物的规则性

汶川地震、玉树地震等国内的多次地震经历都表明，规则、简单、对称的建筑结构物在经历地震时不容易被破坏，抗震性能与其它形式的建筑结构物相比较强；事实证明，若房屋平面上凹凸不平，建筑结构形状不规则，在经受地震时极易产生各种破坏，甚至导致建筑结构物倾倒的严重后果。此外，形状规则的的建筑结构物在经历地震时更容易准确的计算出地震的反应，确定出地震荷载的传递途径，进而可以对其进行相应的加固改造。所以，提高建筑结构物的规则性，使其布置简单、合理、对称已经成为当前国内抗震设计的基本原则之一。

4.2 提升建筑结构物的整体刚度

建筑结构物一般都是由纵横向的若干承重构件及楼盖板所组成的结构体系，其自身必须要具备足够大的整体刚度和稳定性。室内试验证明，当建筑结构物的构件刚度增大时，地震荷载作用于构件上从而使构件产生屈服极限的时间点将向后延迟，这就降低了抗震设计对建筑结构物构件延性的要求。此外，在建筑结构抗震设计中，要尽量采用刚性楼盖板，因为刚性楼盖板能够保证各个抗侧向力的建筑构件按照各自的侧移刚度对地震荷载进行合理分配，从而提高建筑结构物的整体抗震性能。

4.3 增强建筑结构物的延性

在建筑结构物遭受大地震时，部分建筑结构构件的破坏可以延性地消耗地震荷载所产生的能量，进而可以提升建筑结构物的整体抗震性能。增强建筑结构物的延性，一般可采取以下三种措施：（1）在建筑结构物中采用“强柱弱梁”结构，即人为的使柱的抗弯能力比梁强，从而使钢筋混凝土框架在地震荷载作用下，其梁端塑性铰产生的时间比柱端塑性铰更早，这样就最大限度地保证了建筑结构物的框架始终具有较大的塑性耗散地震荷载的能力；（2）在发生强烈地震时，很多建筑结构物在其自身延性尚未发挥出来之前便遭受到了严重的剪切破坏，所以应人为地增加各种建筑构件的抗剪能力，这就是建筑设计上常说的“强剪弱弯”原则，即要避免建筑结构物构件在经受地震荷载时产生剪切破坏，应增墙柱端、梁端及各处节点的剪力值；（3）在建筑结构物中采用相应的抗震结构措施，使建筑结构各处可能出现塑性铰的地方都具有足够大的塑性耗散地震荷载的能力，从而提高建筑结构物的整体延性。

参考文献：

[1] 李楚舒，刘春明，李永双.结构抗震设计相关问题探讨[J].中国建筑标准设计研究院.建筑结构，2006年6月.

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[3] 肖燕武.浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报，2007（35）.

[4] 黄浙青，朱小德.浅谈结构设计中的抗震设计[J].科技创新导报，2008（28）.