新型高層建筑結(jié)構(gòu)與材料的抗震分析和設(shè)計(jì)探討

　　高層建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的產(chǎn)物。隨著大城市的發(fā)展，城市用地緊張，市區(qū)地價(jià)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(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，具有重要的宣傳效應(yīng)，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(xiǎn)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(jié)構(gòu)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(zāi)難及教訓(xùn)，警示人們：防震減災(zāi)任重道遠(yuǎn)，刻不容緩。

　　從上個(gè)世紀(jì)開始，各國的專家、學(xué)者對抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列研究。進(jìn)入90年代，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)已提到各國建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)設(shè)防更是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切的任務(wù)。作為工程抗震設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)體系問題應(yīng)該得到人們的重視

　　我國高層建筑中常采用的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為主，而在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)卻占了90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大的考驗(yàn)。鋼結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)越的強(qiáng)度、韌性和延性，強(qiáng)度重量比，總體上看抗震性能好，抗震能力強(qiáng)。

　　震害調(diào)查表明，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的用鋼量少，又可減少柱子斷面，所以常被業(yè)主看中。混合結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)往往要承受80%以上的震層剪力，有的高達(dá)90%以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移值為基準(zhǔn)，但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增加了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，而且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。

　　此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí)，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（SRC）、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（CFS）或鋼結(jié)構(gòu)（S或），以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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　　在超過一定高度后，由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕而且較柔，為減小風(fēng)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(jīng)驗(yàn)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(yīng)增加使用面積，鋼材消耗指標(biāo)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相近，而工程造價(jià)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件中，采用格構(gòu)式的型鋼時(shí)，震害嚴(yán)重，采用實(shí)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(jié)構(gòu)中，若用鋼骨混凝土構(gòu)件，建議使用后者。

關(guān)于新型結(jié)構(gòu)與材料的探討和應(yīng)用

　　1.脊骨結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)根據(jù)建筑布置條件可由支撐、外伸框架或單跨空腹梁構(gòu)成，可采用全鋼或鋼筋混凝土組合體系。由于抗側(cè)力構(gòu)件沿高度連續(xù)，避免了薄弱樓層，有利于結(jié)構(gòu)抗震，保證剛度和穩(wěn)定的抗側(cè)力構(gòu)件是高層建筑的脊骨，包括豎向構(gòu)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(gòu)件、抗側(cè)力的墻組成剪離膜（Shearmem Brane），一個(gè)脊骨結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gè)脊骨結(jié)構(gòu)，以下是脊骨結(jié)構(gòu)組成的幾個(gè)要點(diǎn)：

　?。?）為了有效的抗傾覆力矩及剪力，脊骨結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是上下貫通的。

　?。?）為了有效的抗傾覆力矩，巨型柱相距越遠(yuǎn)越好。