黃智謙

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

針對(duì)現(xiàn)代城市化快速發(fā)展的趨勢(shì)，超高層建筑已成為城市發(fā)展中的重要建筑型式，而超高層結(jié)構(gòu)體系的抗震性能是當(dāng)前重要的關(guān)注之一[1]。然而在地震等自然災(zāi)害中，由于超高層建筑的高度、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等特點(diǎn)，其易受到嚴(yán)重破壞，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。因此，提高超高層建筑的抗震性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。隨著人們對(duì)建筑安全的日益重視，超高層建筑在地震中的安全性也越來越受到廣泛關(guān)注。由于超高層建筑的高度和重量都非常大，其抗震能力易受影響，往往容易在地震中發(fā)生倒塌等嚴(yán)重事故，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來極大的損失。超高層建筑在地震中的破壞主要是由于其結(jié)構(gòu)抗震性能不足所導(dǎo)致。因此為提高超高層建筑在地震中的安全性，必須要改善其結(jié)構(gòu)抗震性能。針對(duì)這一問題，考慮到超高層建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、高度和重量等特點(diǎn)，需要進(jìn)行深入的理論和實(shí)證研究，并采用多種方法和技術(shù)手段來提高其抗震性能。本研究旨在采用理論分析和實(shí)證研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探討超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，分析超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)和建筑材料力學(xué)性能對(duì)其抗震性能的影響，探索不同設(shè)計(jì)方案下的抗震性能比較，并探討抗震減震技術(shù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。這一研究將有助于提高超高層建筑的抗震性能，強(qiáng)化其在地震等自然災(zāi)害中的安全性，為城市的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

1 理論分析

1.1 超高層建筑抗震設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。其設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)包括彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、材料力學(xué)、地震工程等知識(shí)。其中，彈性力學(xué)理論是抗震設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的理論之一。它主要研究物體在受外力作用下產(chǎn)生的彈性形變和應(yīng)力分布的規(guī)律，從而確定物體的彈性模量、剛度和自然振動(dòng)頻率等重要參數(shù)。在超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，通過彈性力學(xué)理論研究建筑結(jié)構(gòu)的剛度、振型、固有周期等參數(shù)，可以為建筑的抗震設(shè)計(jì)提供重要參考。

此外，塑性力學(xué)理論也是超高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵理論之一。它主要研究物體在受外力作用下產(chǎn)生的塑性形變和應(yīng)力分布的規(guī)律，從而確定物體的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和延展性等重要參數(shù)。在超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，通過塑性力學(xué)理論研究建筑結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制、屈服強(qiáng)度、變形能力等參數(shù)，可以為建筑的抗震設(shè)計(jì)提供重要參考。

1.2 建筑材料力學(xué)性能對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

建筑材料力學(xué)性能是超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素之一。建筑材料的強(qiáng)度、剛度和延展性等參數(shù)直接影響到超高層建筑的抗震能力。其中，混凝土、鋼材和木材等常見建筑材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯不同?；炷辆哂休^好的壓縮強(qiáng)度和抗震性能，但其彎曲剛度和抗張強(qiáng)度較差；鋼材具有較高的強(qiáng)度和剛度，但容易產(chǎn)生局部屈曲和脆性斷裂；木材具有較好的抗震性能和消能能力，但其強(qiáng)度和剛度較低。因此，在超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分發(fā)揮不同建筑材料的性能優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)化組合，提升建筑結(jié)構(gòu)整體抗震性能[2]。

總之，超高層建筑抗震設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和建筑材料力學(xué)性能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要影響。在超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)過程中，需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求和工程經(jīng)驗(yàn)，綜合運(yùn)用彈塑性設(shè)計(jì)、地震動(dòng)響應(yīng)分析、減震措施等手段，全面提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保超高層建筑在地震等自然災(zāi)害中的安全性和穩(wěn)定性。

2 實(shí)證研究

2.1 研究方法的設(shè)計(jì)

本研究采用實(shí)驗(yàn)研究和分析研究相結(jié)合的方式，通過對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的受力狀態(tài)和變形特征進(jìn)行測(cè)試和分析，評(píng)估其抗震性能。具體采用的研究方法如下。

（1）模擬地震試驗(yàn)。通過將建筑結(jié)構(gòu)置于振動(dòng)平臺(tái)上，模擬真實(shí)地震環(huán)境下的地震作用，觀察其受力與變形情況。

（2）數(shù)值分析。利用有限元分析等方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其受力與變形情況，并進(jìn)行參數(shù)敏感性測(cè)試和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 研究對(duì)象的選擇和實(shí)驗(yàn)過程的安排

本研究選取了不同類型的建筑結(jié)構(gòu)體系，包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-核心筒結(jié)構(gòu)[3]，共計(jì)6 個(gè)不同樣本，如表1 所示。每個(gè)樣本均按照最新的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在模擬地震試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 研究對(duì)象的選擇

試驗(yàn)裝置的參數(shù)如下。

（1）地震動(dòng)參數(shù)。根據(jù)中國(guó)地震局發(fā)布的《地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》選擇對(duì)應(yīng)的地震參數(shù)。

（2）模擬地震波。采用橢圓掃頻波形進(jìn)行地震波模擬，具體參數(shù)如下：峰值加速度為0.2g；規(guī)律性為長(zhǎng)周期；峰值頻率為1Hz。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用測(cè)力計(jì)、位移計(jì)等裝置對(duì)試樣受力變形進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析

在試驗(yàn)過程中，對(duì)試樣的受力和變形情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集和記錄，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。具體數(shù)據(jù)如下。

（1）總受力與變形情況。包括試樣的總受力、最大位移等參數(shù)。

（2）局部受力與變形情況。包括試樣不同部位的受力與變形情況。

按照上述數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)樣本在地震作用下的抗震性能進(jìn)行評(píng)估和比較，如表2 所示。

表2 每個(gè)樣本在地震作用下的抗震性能評(píng)估與對(duì)比

3 結(jié)果討論

3.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的分析

本研究采用實(shí)驗(yàn)研究和分析研究相結(jié)合的方式，通過對(duì)不同超高層建筑結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的受力狀態(tài)和變形特征進(jìn)行測(cè)試和分析，評(píng)估其抗震性能。在試驗(yàn)所用地震動(dòng)參數(shù)下，本文得出以下結(jié)論。

（1）在超高層建筑中，略帶柔性的設(shè)計(jì)能夠提高結(jié)構(gòu)的延性和韌性，有利于在地震作用下吸收能量和減小變形。其中，框架-核心筒結(jié)構(gòu)具有較好的韌性和延性，在保證剛度和強(qiáng)度的同時(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于純框架結(jié)構(gòu)，主要原因是剪力墻所能提供的水平抗力較大，可以有效減小結(jié)構(gòu)的變形和損傷。

（3）不同超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震性能存在明顯差異，需要根據(jù)具體設(shè)計(jì)情況進(jìn)行綜合考慮。

3.2 不同設(shè)計(jì)方案下的抗震性能比較

為了進(jìn)一步探討不同設(shè)計(jì)方案對(duì)于超高層建筑抗震性能的影響，在一定地震動(dòng)參數(shù)下，選取了3 個(gè)不同的超高層建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同設(shè)計(jì)方案對(duì)于超高層建筑抗震性能的影響

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不同設(shè)計(jì)方案下超高層建筑的抗震性能存在較大差異。純框架結(jié)構(gòu)抗震性能最差，產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞；而框架-核心筒結(jié)構(gòu)的兩個(gè)樣本，都能夠在一定程度上發(fā)揮剪力墻的抗震作用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的韌性和延性，表現(xiàn)出了更好的抗震性能。

3.3 抗震減震技術(shù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為提高超高層結(jié)構(gòu)的抗震性能，已有工程項(xiàng)目中采取消能減震技術(shù)，研究表明消能減震技術(shù)可有效控制結(jié)構(gòu)的震時(shí)塑性損傷[4]。常見的抗震減震技術(shù)包括：①鋼筋混凝土框架加裝減震支撐。②液體粘滯器[5]。③擺錘減震器。④彈簧隔震系統(tǒng)。

這些技術(shù)可以在不同程度上提高超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在不同抗震減震技術(shù)的輔助下，本文對(duì)樣本2 進(jìn)行了再次實(shí)驗(yàn)，并獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)變化結(jié)果，如表4 所示。

表4 在不同抗震減震技術(shù)的輔助下超高層建筑抗震性能數(shù)據(jù)變化

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，抗震減震技術(shù)能夠有效地提高超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，并且不同技術(shù)之間的效果存在一定差異。在具體應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地震參數(shù)等多個(gè)因素進(jìn)行綜合考慮。

4 研究建議

4.1 針對(duì)研究問題的解決方案

基于本研究的分析結(jié)果，本文提出以下針對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的解決方案。

（1）采用框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)。在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以優(yōu)先考慮采用框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系具有較好的韌性和延性，可以在地震作用下有效減小結(jié)構(gòu)變形和損傷。

（2）應(yīng)用抗震減震技術(shù)。在超高層建筑設(shè)計(jì)中，可以采用不同類型的抗震減震技術(shù)，如鋼筋混凝土框架加裝減震支撐、液體減震器、擺錘減震器和彈簧隔震系統(tǒng)等，來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。這些技術(shù)可以在不同程度上降低結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)，保障超高層建筑的安全性。

（3）加強(qiáng)維護(hù)和管理。超高層建筑作為一個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng)，必須進(jìn)行全面的維護(hù)和管理，以確保其長(zhǎng)期的安全和可靠性。需要建立完善的維護(hù)和管理機(jī)制，定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和維修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理隱患和缺陷，保證超高層建筑的安全性和使用壽命。

4.2 超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提高的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的不斷進(jìn)步和人們對(duì)于安全性的不斷追求，超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提高的發(fā)展趨勢(shì)將越來越明顯。以下是一些可能出現(xiàn)的趨勢(shì)。

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)計(jì)師將更加注重結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，特別是對(duì)于超高層建筑來說，將注重結(jié)構(gòu)的抗震性能、減震能力、耗能能力等方面的優(yōu)化，以適應(yīng)各種地震和風(fēng)災(zāi)情況的挑戰(zhàn)[5]。

（2）抗震減震技術(shù)的發(fā)展。在抗震減震技術(shù)方面，液體減震器、擺錘減震器、彈簧隔震系統(tǒng)等新型技術(shù)的出現(xiàn)將推動(dòng)超高層建筑的抗震能力得到進(jìn)一步提高。

（3）智能化監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)的不斷應(yīng)用，超高層建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化和信息化，這將有助于加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析，提高維護(hù)和管理的精度和效率。

（4）綠色建筑的興起。隨著人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求越來越高，綠色建筑將成為超高層建筑的一個(gè)重要趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)超高層建筑時(shí)，需要注重能源利用效率和環(huán)境適應(yīng)性，通過合理的設(shè)計(jì)和材料選擇，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

5 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)分析得出：采用框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)以及采用多種類型阻尼器對(duì)超高層結(jié)構(gòu)抗震性能有顯著的提升，同時(shí)，需要建立完善的維護(hù)和管理機(jī)制以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的壽命。另一方面，展望未來，智能化監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)以及綠色建筑的崛起對(duì)超高層結(jié)構(gòu)抗震性能提高亦有一定的推動(dòng)作用，在后續(xù)發(fā)展中應(yīng)給予一定的重視。