新型高層建筑結構與材料的抗震分析和設計探討

　　高層建筑是社會經濟發(fā)展和科技進步的產物。隨著大城市的發(fā)展，城市用地緊張，市區(qū)地價日益高漲，促使近代高層建筑的出現(xiàn)，電梯的發(fā)明更使高層建筑越建越高。宏偉的高層建筑是經濟實力的象征，具有重要的宣傳效應，在日益激烈的商業(yè)競爭中，更扮演了重要的角色。

　　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（HomeIurance Building，10層，高55米）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(fā)區(qū)（地震基本烈度6度及其以上的地震區(qū)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(jù)，高層建筑抗震分析更處于非常重要的地位。

材料的選用和結構體系問題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。但在國外，特別是地震區(qū)，是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構及混合結構卻占了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(yōu)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(xiàn)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，所以常被業(yè)主看中?；旌辖Y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(xié)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(guī)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(xiàn)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。

　　現(xiàn)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。

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　　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。

關于新型結構與材料的探討和應用

　　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(jù)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(xù)，避免了薄弱樓層，有利于結構抗震，保證剛度和穩(wěn)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、剛性連接的構件、抗側力的墻組成剪離膜（Shearmem Brane），一個脊骨結構包括位于建筑外端少數(shù)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：

　?。?）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。

　?。?）為了有效的抗傾覆力矩，巨型柱相距越遠越好。