高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新研究

王成磊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 引言

高层建筑的地理位置，以及不同建筑结构的抗震设计方法会对建筑抗震能力、震后修复效果等造成直接影响[1，2]。本文主要从高层建筑结构抗震设计、高强高性能混凝土高层建筑结构、高性能装配式高层建筑结构3 个方面展开论述。

2 高层建筑结构抗震设计简述

2.1 设计流程

抗震设计是指在建筑设计过程中从整体结构出发，结合建筑结构的刚度、强度、延度、轴压比等方面的设计情况，制订最科学、有效的建筑结构抗震设计方案。受2008 年汶川地震影响，我国越来越重视建筑结构抗震设计，并对GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[2]、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[3]等标准进行了调整与修改，进一步细化、明确了建筑钢结构阻尼比、承载力抗震调整系数、隔震结构水平向减震系数等指标，对建筑结构抗震设计有了更明确的规范与要求。因而在现代高层建筑结构抗震设计过程中，需根据建筑结构受力分析、结构类型、结构体系等制订具体的抗震设计方案。基于预设屈服模式，从结构的安全性、经济性着手，进行高层建筑结构抗震设计，设计流程如图1 所示。另外，还要根据地震强度对建筑结构的不同影响，使建筑抗震设计达到小震不坏、中震可修、大震不倒的基本目标，根据可屈服构件刚度折减系数、弹性构件、阻尼等建筑材料、结构方面的多种因素，制订具体设计方案[4-6]。

图1 基于预设屈服模式的设计流程

2.2 建筑结构体系参考标准数据

根据上文内容可知，刚度折减系数在建筑结构抗震设计中尤为重要，不同结构或构件的刚度折减系数有所不同，对建筑投入使用后的承重能力、抗震能力均有直接影响。常见地钢筋混凝土结构的弹性模量折减系数与刚度折减系数见表1、表2。在进行高层建筑结构抗震设计时，需参考各类建筑结构的标准参数，对建筑设计方案的承重、抗震能力进行有效计算，以确保建筑投入使用后，能达预期承重、抗震效果。

表1 温度作用下混凝土弹性模量的折减系数

表2 预应力度和刚度折减系数

3 高强高性能混凝土高层建筑结构

混凝土是当前常见的建筑材料，主要是指利用凝胶材料将集料胶结成整体的工程复合材料，广泛应用于各类建筑施工中。以下主要对高强高性能混凝土高层建筑结构的整体设计思路、结构体系性能设计进行论述。

3.1 整体设计思路

就传统的混凝土设计构件而言，随着人们对建筑抗震要求的提升，以及相关指标要求的进一步明确与细化，传统的混凝土设计构件已无法满足相关规范对建筑结构的变形能力和高强材料延性的要求。因而，本文针对此类问题提出以下混凝土结构设计思路：

1）在混凝土构件设计中加入“钢”材料，利用高强高性能混凝土-钢组合结构体系提升其变形能力和构件的延性。与其他材料相比，钢筋与混凝土线膨胀系数更为接近，两种材质间具有良好的黏结力，能有效贴合，且混凝土中氢氧化钙能为此组合材质提供良好的碱性环境，利于钢筋表面钙化保护膜的形成，对高强高性能混凝土-钢组合结构体系有保护作用[7，8]。同时，钢材的抗拉强度较高，普遍在200 MPa 以上，以高强高性能混凝土-钢组合结构体系为基础的混凝土-钢组合梁已成为当前应用范围较广的一种新型梁，此结构设计方式在有效承担梁底拉力的同时，能为梁部及以上结构提供支撑。且基于钢的材料优势，在当前的建筑结构设计中，多将高强高性能混凝土-钢组合结构体系作为建筑结构的承重骨架，并作为结构体系中主要的抗侧力结构，有效承受地震作用、风荷载产生的大部分水平荷载及外框架的竖向荷载。综上，同传统混凝土相比，高强高性能混凝土-钢组合结构体系能进一步提升其整体构建抗震能力[9，10]。

2）在传统的混凝土构件中加入消能减震装置，如在结构物节点或连接处装设阻尼器等，可以增加构件长细比和弹性极限应变量，及增强结构的弹性设计，将地震对建筑的作用力转移至阻尼器等消能减震装置中，通过减震装置降低地震对建筑的影响，削弱地震对建筑主体造成的结构损伤[11，12]。

3.2 结构体系性能设计

在不同的建筑结构中，需要根据建筑结构不同点的承重需求、尺寸等制订不同设计方案。如某建筑长、宽均为44 m，核心筒平面尺寸为22 m×20 m，首层层高5 m，标准层层高4.2 m，针对此类钢筋混凝土框架核心筒结构设计，需先用SATWE软件进行小震反应谱分析，将水平地震影响系数最大值αmax=0.16、整体阻尼比0.05、特征周期Tg=0.45、周期折减系数0.85、一级框架抗震、特一级剪力墙抗震作为基本参数，计算不同钢筋混凝土结构的抗震能力，分析其结构空间状态，最终选择抗震能力最强的结构，然后进一步优化结构空间。再用类似方法进行中震反应谱分析、大震反应谱分析，同时，模拟大震下的弹塑性动力时程分析，分析评估相关结构体系和不同阻尼器的加入，是否能够达到大震不倒的设计目的，进一步提升高层建筑设计的安全性，提高高层建筑的抗震能力。

4 高性能装配式高层建筑结构

随着建筑材料、工艺的不断革新与发展，以及我国绿色生态发展理念的推广应用，高性能装配式高层建筑结构开始被广泛应用到当前高层建筑设计中。因此，下文主要对高性能装配式高层建筑结构的整体设计思路、大变形能力节点、结构体系性能设计进行介绍。

4.1 整体设计思路

当前我国较常见的装配式结构以装配式钢筋混凝土结构为主。与现浇施工工法相比，装配式钢筋混凝土结构可以按照施工工艺连续完成多个或全部工序，不仅能减少施工现场所需机械设备的种类和数量，还可以减少施工工序衔接造成的施工停滞时间、施工人数、物料消耗、环境污染、建筑垃圾等[13，14]。同时，在抗震方面，通过无黏结预应力筋拼接节点、黏结预应力筋拼接节点、后浇整体式节点等措施，能够有效衔接、固定装配式结构节点，提高建筑的抗震性能。因而在高性能装配式高层建筑结构设计过程中，需重视节点衔接固定方面的设计，选择科学适宜的节点衔接方式，有效提升高层建筑的抗震能力。

4.2 大变形能力节点

根据上文可知，装配式结构间节点的有效衔接与固定对提升高层建筑整体抗震能力有重要意义。所以，在节点衔接方法设计与选取的过程中，使建筑结构在遇到大地震后，阻尼器充分发挥耗能作用的条件下，结构节点不会出现较大的变形与损坏，且需具有震后易修复的优势，以便于对建筑体系进行震后修复，保障整个建筑体系的安全性。在常见框架间节点衔接、固定方式中，无黏结预应力筋拼接节点主要是指预应力筋在节点内与节点两边一定范围内与混凝土无黏结，优势是在大变形后仍具有较好的弹性，且强度、刚度衰减较小，残余变形较小，拼接节点耗能也较小。黏结预应力筋拼接节点与无黏结预应力筋拼接节点相反，节点同混凝土有黏结，优势在于延性和变形恢复能力更优。后浇整体式节点能进一步提升节点抗剪强度，对提升节点强度、改善耗能、提升变形恢复能力均有重要作用，有助于推迟破坏发生，提升节点承载性能，若遇大震，有助于延长建筑内人们的逃生时间。随着工艺的发展，同济大学赵斌等人于2004 年提出螺栓连接节点这一连接方式，主要适用于梁端采取设置加宽扩大段、预埋钢套管等措施，在节点连接过程中，用高强螺栓进行无黏结式连接与固定，此方式具有耗能低、节点钢化退化慢、变形能力好等优势。所以，在实际设计过程中，需要根据高层建筑的地理位置、施工成本、高层建筑设计要求等，选取更科学、适宜的节点连接方式，以保障高层建筑抗震能力。

4.3 结构体系性能设计

在装配式结构体系性能设计中，如对层高4.2 m、标准柱跨为8.4 m 的主梁大板，C80 框架柱混凝土、C40 框架梁和楼板混凝土、HRB500 mm 钢筋、150 mm 折算厚度的中空混凝土楼板所制框架结构进行设计，需参考节点抗弯刚度，根据节点抗弯刚度计算公式进行节点抗弯刚度评估分析，并调解剪切阻尼器屈服强度，同样需要在基于预设屈服模式下进行抗震设计。同时，在保障抗震性能的基础上，适当调节结构空间设计，以减少用材，或通过调节建筑用材来提升装配式结构的绿色环保性。

5 结语

综上所述，随着我国建筑抗震设计规范化的增强以及相关强制性条文的出台，高层建筑在设计、修建过程中，对结构抗震设计的要求也越来越高。根据本文论述可知，我国当前多基于预设屈服模式进行抗震性能化设计，根据建筑用材、建筑结构进行不同地震强度下的建筑抗震能力评估，以分析不同建筑结构抗震设计安全性、有效性。同时，通过高强高性能混凝土-钢组合结构体系、消能减震装置及装配式结构的有效运用，能够进一步提升高层建筑的抗震性能，同时，减少废钢筋、废弃混凝土消耗量，遵循可持续性发展原则，达到绿色施工的高层建筑结构设计目标。