复杂高层建筑结构抗震设计方法研究现状与展望

　　高层建筑的发展有一个长期的过程，一千多年前就出现了高层建筑，如我国历史上的河南登封县的嵩岳寺塔、西安的大雁塔、山西的应县木塔等。这些早期的高层塔楼建筑，由于受到当时经济技术条件的限制，都是用砖、石或木料等建造的，墙壁相当厚，支撑木柱都很粗大，因而使用面积相对狭小，造型也比较单一。 19世纪末到20世纪初，由于工业技术的进步，为近代高层建筑的发展创造了有利的条件，出现了钢框架和钢筋混凝土框架结构的高层建筑。在美国、欧洲等地出现了一批高层建筑。直到20世纪 50年代，由于轻质高强材料研究成功，抗风抗震结构体系得到了发展，高层建筑发展迅速。

　　1 复杂高层建筑结构震害及破坏机制分析

　　1.1 复杂高层建筑结构分类常见的复杂结构形式有以下几种：①竖向收进和悬挑结构;②连体结构;③带转换层结构④带加强层结构;⑤平面不规则结构;⑥其他复杂结构：错层结构、大底盘多塔楼结构等。这些情况会使得结构刚度发生突变，对结构的抗震性能产生很大影响¨。，因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)‘61和《建筑抗震设计规范》(GB 50011— 20lo)¨1对于结构平面和竖向的规则性进行了严格的限定。

　　1.2复杂高层建筑结构震害及破坏机制分析 1.

　　2.1 体型收进高层建筑结构由于建筑造型和功能需求等原因，体型收进结构是复杂高层建筑中最常见的结构形式，历次震害表明，体型收进高层建筑结构在地震中破坏严重。 1995年1月17日的日本阪神地震，大量竖向收进造成薄弱层破坏¨。1…，图1(a)一(b)所示;2010年2 月27日在智利发生8.8级大地震，如图1(c)为一座21层办公楼，体型收进层位于11层，在地震中发生收进层整层破坏…。;2008年5月12日，我国汶川发生8.0级地震，许多高层建筑结构由于体型收进导致破坏¨2。”1，如图1(d)所示。同时，国内外学者对体型收进高层建筑结构进行了大量研究，肖从真等¨41对体型收进框架结构进行了试验和理论研究，结果表明：①在体型收进处，层间位移和竖向构件内力发生突增;②层间位移和内力的突增程度随着收进程度的增大而增大，在收进位置应增大配筋以保证结构承载内力;③对于大底盘结构，应特别注意其塔楼底层。张博等¨纠通过对体型收进高层结构进行弹塑性分析，得出结构收进层在大震下产生明显薄弱层。苏宁粉等¨钊对体型收进框架一核心筒结构进行弹塑性动力时程分析，结果表明：在结构体型收进处、核心筒底部加强部位和非加强部位交界处存在刚度突变而导致变形集中，建议设置过渡层，保证刚度连续均匀变化。 Jack P.Moehle‘171通过对4个竖向不规则结构进行非线性分析，表明在楼层高度和剪力墙厚度变化等刚度突然减小的位置是发生破坏的主要位置。 T.L.Karavasilisa等¨8‘通过对120个体型收进框架进行大量非线性分析，结果表明：结构的最大变形集中发生在顶部收进形成的“塔形”部位和存在收进的部位。 1.2.2 带转换层、过渡层的高层建筑结构通过大量震害发现，带转换层或过渡层的结构容易在地震中破坏。日本阪神地震中，大量建筑物发生转换层破坏和过渡层破坏，如图2(a)所示¨9|; 1999年台湾地震中，存在转换层的商住楼剪力墙破坏旧…;在汶川地震中，如图2(b)所示的底部空旷建筑在地震中底层完全倒塌¨3|。对于带转换层的高层建筑结构，其破坏机制可以分为三种情况：①当转换层下部结构刚度小，上部刚度大时，破坏主要发生在转换层下部;②当转换层下部结构刚度较大，上部结构刚度较小时，破坏主要发生在转换层上部;③当转换层上下结构刚度分布相对均匀时，其上下破坏程度相对均匀。转换层结构破坏的主要原因是其竖向构件不连续，造成结构竖向刚度发生突变，导致转换层上、下楼层的构件内力、位移突变，在地震作用下发生薄弱层破坏。

　　2高层建筑结构抗震设计方法

　　.1传统高层建筑结构抗震设计方法目前，我国高层建筑的抗震设计遵循的是“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标，主要采用“两阶段设计”来实现上述三个水准的设防目标。第一阶段设计是承载力验算，取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，在可靠度分析基础上采用分项系数设计表达式进行结构构件截面承载力抗震验算，满足“小震不坏”的设防目标。第二阶段设计是弹塑性变形验算，对有薄弱层的不规则结构或有专门要求的结构，通过弹塑性层间变形验算并采用相应的构造措施，满足“大震不倒”的设防目标。“中震可修”的设防目标则通过概念设计和若干抗震措施来实现，主要体现在第一阶段设计中。概念设计包括结构选型、限制房屋高度、最小地震剪力等，抗震措施则包括内力调整放大、不同抗震等级的构造要求等内容。

　　2.2基于性能化抗震设计方法当前，全世界各国均在采用基于性能的抗震设计理论及方法，并在逐渐制定和完善相关的设计规范。美国太平洋地震工程研究中心于2010年发布了《高层建筑基于性能设计方法指南》(PEER一 2010)，将性能化抗震设计方法首次正式写入高层结构的抗震设计。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)¨。和《建筑抗震设计规范》 (GB 5001 1—2010)‘71均将性能化抗震设计写入，给出了性能化设计的性能目标、性能水准以及相应的评价标准。

　　2.3基于预设屈服模式的性能化抗震设计方法目前规范采取的内力调整对于规则建筑来说，可以通过控制不同构件的承载力差值，避免关键构件在地震作用下发生破坏，从而防止整体结构的倒塌。然而复杂高层建筑在大震作用下的内力分布往往与小震作用下的有显著区别，内力调整难以反映其在地震作用下真实的受力性能。肖从真等¨’”’”1 提出了复杂高层建筑结构基于预设屈服模式的性能化设计方法，其基本思路是：对结构的不同构件预先设置不同水准地震作用下的性能目标，对整体结构而言，则相当于预先设置了一种结构的破坏模式。

　　3结论与展望

　　3.1 结论 1)复杂高层建筑在地震中破坏严重，体型收进结构容易在收进层位置由于刚度突变发生薄弱层破坏;连体结构容易在连廊与主体结构连接处发生破坏;平面不规则结构靠近外侧的竖向构件容易因扭转而发生破坏;带转换层结构容易在转换层或与转换层相邻的楼层发生破坏等。 2)基于性能化的抗震设计方法改变了传统抗震设计方法单一性能目标的局限性，工程师可以根据结构的实际情况选择合适的性能目标，其本质是预设了一种破坏模式。 3)我国传统抗震设计采用“三水准，两阶段”的方法，单一的性能目标和内力调整无法充分反映复杂高层建筑结构在地震作用下真实受力情况。基于预设屈服模式的抗震设计方法通过预设屈服模式的思路，逐步控制结构破坏顺序，同时，设计过程更简单、合理，避免了较繁琐的内力调整。

　　3.2研究展望目前，复杂高层建筑结构抗震设计方法仍需在以下方面开展深入研究： 1)精确地考虑结构弹塑性损伤对结构抗震性能的影响，从而更加有效地实现对结构破坏模式的控制。 2)建立合理的复杂高层建筑结构抗震性能评价指标和体系，重视非结构构件和设施等破坏造成的损伤，尽可能实现量化各项评价指标。 3)对复杂高层建筑进行连续倒塌研究，避免局部破坏引起的整体结构的倒塌。 4)适用于复杂高层建筑结构的新材料、新体系及相应的设计理论与方法研究。

　　参考文献

　　徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005

　　吕西林，程明.超高层建筑结构体系的新发展[J].结构工程师，2008，(2)：99-106

　　徐培福，王翠坤，肖从真.中国高层建筑结构发展与展望[J].建筑结构，2009，39(9)：28-32

　　《复杂高层建筑结构抗震设计方法研究现状与展望》来源：《建筑科学》，作者：李子懿1，肖从真2，李建辉2，李爱群1，陆宜倩2