新型高层建筑结构与材料的抗震分析和设计探讨

一、前言

高层建筑是社会经济发展和科技进步的产物。随着大城市的发展，城市用地紧张，市区地价日益高涨，促使近代高层建筑的出现，电梯的发明更使高层建筑越建越高。宏伟的高层建筑是经济实力的象征，具有重要的宣传效应，在日益激烈的商业竞争中，更扮演了重要的角色。

自从1886年世界上第一栋近代高层建筑——美国芝加哥家庭保险公司大楼（HomeIuranceBuilding，10层，高55m）建成以来，至今已有100多年的历史了。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化，而且在高度上也有大幅度增长。而一次又一次地震灾难及教训，警示人们：防震减灾任重道远，刻不容缓。

从上个世纪开始，各国的专家、学者对抗震设计进行了一系列研究。进入90年代，结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的历史日程。特别是我国处于地震多发区（地震基本烈度6度及其以上的地震区面积约占全国面积的60%），高层抗震设计设防更是工程设计面临的迫切的任务。作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗震分析更处于非常重要的地位。

二、材料的选用和结构体系问题在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。

我国高层建筑中常采用的结构体系有：框架、框架-剪力墙、剪力墙和筒体等几种体系，这也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外，特别地震区，是以刚结构为主，而在我国钢筋混凝土结构几混合结构却占了90%.如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大的考验。钢结构同混凝土结构相比，具有优越的强度、韧性和延性，强度重量比，总体上看抗震性能好，抗震能力强。

震害调查表明，钢结构较少出现倒塌破坏情况。在高层建筑中采用框架-核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土结构的位移值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增加了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；

此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。

唐山钢铁厂震害调查资料统计参数结构形式总建筑面积（万㎡）倒塌和严重破坏比例（%）中等破坏比例（%）钢结构3.6709.3钢筋混凝土结构4.0623.247.9砌体结构3.0941.220.9在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材产量已居世界前列，建筑钢材的类型及品种也在逐渐增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用型钢混凝土结构（SRC）、钢管混凝土结构（CFS）或钢结构（S或），以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。

在超过一定高度后，由于钢结构质量较轻而且较柔，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。工程经验表明：利用钢管混凝土承重柱自重可减轻65%左右，由于柱截面减小而相应增加使用面积，钢材消耗指标与钢筋混凝土结构相近，而工程造价和钢筋混凝土结构相比可降低15%左右，工程施工工期缩短1/2.此外钢管混凝土结构显示出良好的延性和韧性。

1995年日本阪神地震震害说明，在钢骨混凝土构件中，采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢的，则震害轻微。因此，在高层建筑结构中，若用钢骨混凝土构件，建议使用后者。

三、关于新型结构与材料的探讨和应用

3.1脊骨结构（inestructure）特别适用于具有高大门厅、空旷地下车库，顶部阶梯式的高层建筑。脊骨结构根据建筑布置条件可由支撑、外伸框架或单跨空腹梁构成，可采用全钢或钢筋混凝土组合体系。由于抗侧力构件沿高度连续，避免了薄弱楼层，有利于结构抗震，保证刚度和稳定的抗侧力构件是高层建筑的脊骨，包括竖向构件抵抗由倾覆力矩引起的轴力及由对角支撑或刚性连接的构件或抗侧力的墙组成剪离膜（Shearmembrane），一个脊骨结构包括位于建筑外端少数钢、混凝土或组合巨型柱，这些柱不应影响各楼层的使用。

巨型柱由支撑、空腹桁架或刚性连接的外伸框架梁连接成为一个脊骨结构，以下是脊骨结构组成的几个要点。

1.为了有效的抗倾覆力矩及剪力，脊骨结构应当是上下贯通的。

2.为了有效的抗倾覆力矩，巨型柱相距越远越好。

3.脊骨结构主轴应与结构主轴相重合。

4.楼板结构应能直接将楼层荷载传到巨型柱以提高抗倾覆能力。

5.脊骨结构在平面上包括的面积应能提供良好的抗扭刚度，否则应附设周边框架。

6.剪力膜（空腹梁、支撑、刚性连梁及作为脊骨的竖向构件）应不影响地下空间（车库）并应与建筑设计相适应。

3.2剪力膜的三种型式：

1.带支撑框架（Bracedframe），巨型柱由跨过多层的对角支撑连在一起。

2.带外伸框架的支撑筒体（BracedcorewithoutriggerFrame）。

3.单跨空腹梁（FreeaingVierendeels）。不论是风力控制或地震力控制的高层建筑，脊骨结构体系都是非常有效的。可用于20层至100层的高层建筑。在国外，脊骨结构已在高层建筑中得到应用。如：美国费城53层的拜耳大西洋塔楼（BellAtlanticTower）采用全钢脊骨结构和56层的米尼亚波里斯（Mieapolis）的西北中心（NorthwestCenter）大楼具有多层次阶梯形屋顶是采用组合巨型柱脊骨结构。

3.3钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料，由于钢纤维阻滞带基体混凝土裂缝的开展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善。钢纤维对基体混凝土的增强作用随着纤维的体积含量、长径比的增大而增大，但在工程实际中，纤维含量有一定限值，超过这一限值，用一般方法搅拌、成型就有困难。对于一般常用的钢纤维混凝土，其体积含量建议取1.0%-2.0%，长径比建议取值。应用于一些结构部位（如柱梁节点、柱子、扁梁柱节点、桩基承台、屋面板、转换梁、筏形基础等）。采用钢纤维混凝土梁柱节点的框架与普通钢筋混凝土框架相比，结构的延性提高57%，耗能能力提高130%，荷载循环次数提高了15%，在框架梁柱节点采用钢纤维混凝土可代替部分箍筋，既改善了节点区的抗震性能，又解决了钢筋过密，施工困难等问题。钢钎维几何参数参考范围表3钢纤维混凝土工程类别长度（mm）等效直径长径比一般浇注钢纤维混凝土20～600.3～0.930～80钢纤维混凝土抗震框架节点35～600.3～0.950～80

四、结语

经济和安全的关系，是结构抗震设计的重要技术政策。从长远观点看，如何从我国高层建筑抗震设计现状及国际高层抗震设计发展的趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，应该成为地震区高层建筑发展的新方向。