【正文】 高層建筑抗震設(shè)計(jì)中短柱問題的處理摘要：建筑抗震設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求。它的基本原理和步驟是先以某種方法得到結(jié)構(gòu)在可能遭遇地震作用下所對應(yīng)的目標(biāo)位移，然后對結(jié)構(gòu)施加豎向荷載的同時(shí)，將表征地震作用的一組水平靜力荷載以單調(diào)遞增的形式作用到結(jié)構(gòu)上，在達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)停止荷載遞增，最后在荷載中止?fàn)顟B(tài)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估，判斷是否可以保證結(jié)構(gòu)在該水平地震作用下滿足功能需求。這種方法從本質(zhì)上說是一種靜力非線性計(jì)算方法，但它將反應(yīng)譜引入了計(jì)算過程和結(jié)果。但由于對地震特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特性所做的假設(shè)，其結(jié)果存在不確定性，其主要價(jià)值是用來考察地震作用下普遍的而非特定的反應(yīng)規(guī)律，以及對抗震設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核分析，評估其抗震性能。其中針對結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的非線性時(shí)程分析法（非線性動(dòng)力反應(yīng)分析），從建立在層模型或單列梁柱模型上的方法到建立在截面多彈簧模型上的方法，再到目前正在研究發(fā)展的建立在截面纖維滯回本構(gòu)規(guī)律的纖維模型法，模擬的準(zhǔn)確程度正在不斷提高。以上方法主要針對結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性階段，保證結(jié)構(gòu)具有一定的屈服水準(zhǔn)。對較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系則宜采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算，它的思路是根據(jù)振型疊加原理，將多自由度體系化為一系列單自由度體系的疊加，將各種振型對應(yīng)的地震作用、作用效應(yīng)以一定方式疊加起來得到結(jié)構(gòu)總的地震作用、作用效應(yīng)。其中，底部剪力法最簡便，適用于質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻的結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們需要確定用來進(jìn)行內(nèi)力組合及截面設(shè)計(jì)的地震作用值。這種籠統(tǒng)的設(shè)防目標(biāo)也不符合當(dāng)今國際上的“多層次，多水準(zhǔn)性態(tài)控制目標(biāo)”思想，這種多性態(tài)目標(biāo)思想提倡在建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)靈活采用多重性態(tài)目標(biāo)。另外，我國規(guī)定的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)也存在一定的問題。這就導(dǎo)致同一個(gè)R對應(yīng)了不同的，從而制定了不同的抗震措施，這與關(guān)系是不一致的。而且還把用于結(jié)構(gòu)截面承載能力設(shè)計(jì)和變形驗(yàn)算的小震賦予一個(gè)固定的統(tǒng)計(jì)意義。美國UBC規(guī)范按同樣原則來劃分延性等級，但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級，在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級。其中，最值得我們注意的是，與國外規(guī)范相比，我國抗震規(guī)范在對關(guān)系的認(rèn)識上還存在一定的差距。四. 我國抗震設(shè)計(jì)思路中的部分不足我國在學(xué)習(xí)借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎(chǔ)上，逐漸形成了自己的一套較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)思路。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，避免其發(fā)生局部壓屈失穩(wěn)，提高構(gòu)件抗剪能力的作用，因此箍筋對提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有相當(dāng)重要的作用。影響延性的其他因素實(shí)質(zhì)都是這兩個(gè)根本因素的延伸。延性對抗震來說是極其重要的一個(gè)性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。我們可以采取以下公式來考慮抗震抗剪的強(qiáng)度公式：其中為混凝土抗剪能力，為箍筋抗剪能力，為由于地震作用導(dǎo)致的混凝土抗剪能力下降的折減系數(shù)，且隨著剪力作用環(huán)境、延性要求而改變。同時(shí)，在梁端塑性變形過程中作用剪力并沒有明顯增大，也進(jìn)一步說明這里增加的箍筋不是用來增大抗剪強(qiáng)度，而是為了提高構(gòu)件在發(fā)生剪切破壞時(shí)所達(dá)的延性。此外，抗震抗剪要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)在大震下預(yù)計(jì)達(dá)到的非彈性變形狀態(tài)之前不發(fā)生剪切破壞?？梢姡卣鹱饔孟?，混凝土抗剪能力嚴(yán)重退化，但是試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)箍筋的抗剪能力仍可以維持。由于交叉斜裂縫與塑性鉸區(qū)基本重合，垂直和斜裂縫寬度都會隨延性而增大。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。我國的抗震措施中對耗能機(jī)構(gòu)的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學(xué)的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”模式。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢。新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實(shí)現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時(shí)因?yàn)槌讓又淄獾钠渌瞬怀霈F(xiàn)塑性鉸，也就不必再對這些柱端加更多的箍筋。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強(qiáng)系數(shù)。其具體做法是通過結(jié)構(gòu)分析得到各構(gòu)件組合內(nèi)力值后，對梁端截面就按組合彎矩進(jìn)行截面設(shè)計(jì)；而對除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行設(shè)計(jì)；對底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。首先，這兩種思路都是以優(yōu)先引導(dǎo)梁端出塑性鉸為前提。：通過抗震構(gòu)造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性。2.“強(qiáng)剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：1.“強(qiáng)柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。對重要性不同的建筑，如協(xié)助進(jìn)行災(zāi)害恢復(fù)行動(dòng)的醫(yī)院等建筑，應(yīng)該按較高的性態(tài)目標(biāo)設(shè)計(jì)，此外，也可以針對甲方對建筑提出的不同抗震要求，選擇不同的性態(tài)目標(biāo)。性態(tài)目標(biāo)指建筑物在一定程度的地震作用下對所期望的性態(tài)水準(zhǔn)的表述。建筑物的性態(tài)是由結(jié)構(gòu)的性態(tài)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和體系的性態(tài)以及建筑物內(nèi)容物性態(tài)的組合。目前，國際上逐步形成了一套“多層次，多水準(zhǔn)性態(tài)控制目標(biāo)”的抗震理念。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對在同一烈度區(qū)的同一類結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)情況取用不同的R，也就是不同的用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地震作用。此外，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)后，其側(cè)向剛度將明顯小于彈性剛度，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)瞬時(shí)剛度的下降，自振周期加長，從而減小地震作用。由此我們可以想到，在地震往復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中，如果進(jìn)入屈服后狀態(tài)，將通過塑性變性能耗散掉部分地震輸給結(jié)構(gòu)的累積能量，從而減小地震反應(yīng)。我們可以進(jìn)一步以單質(zhì)點(diǎn)體系的無阻尼振動(dòng)來分析，在彈性范圍振動(dòng)時(shí)，慣性力與彈性恢復(fù)力總處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，體系能量在動(dòng)能、勢能間不停轉(zhuǎn)換，但總量保持不變。其次，作為非線彈性材料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在一定的外力作用下，結(jié)構(gòu)將從彈性進(jìn)入非彈性狀態(tài)。首先，通過人為措施可以使結(jié)構(gòu)具有一定的延性，即結(jié)構(gòu)在外部作用下，可以發(fā)生足夠的非線性變形，而又維持承載力的屬性。讓人們認(rèn)識到延性在抗震設(shè)計(jì)中的重要性。規(guī)律初步揭示出不同彈性周期的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其彈塑性屈服水準(zhǔn)取值大小不同時(shí)，在同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下屈服水準(zhǔn)與所達(dá)到的最大非彈性位移之間的關(guān)系。由以上規(guī)律我們可以看出，如果以結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)為準(zhǔn)，把結(jié)構(gòu)用來做承載能力設(shè)計(jì)的地震作用取的越低，即R越大，則結(jié)構(gòu)在與彈性反應(yīng)時(shí)相同的地震作用下達(dá)到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。－，適用“等能量法則”即非彈性反應(yīng)下的彈塑性變形能等于同一地震地面運(yùn)動(dòng)輸入下的彈性變形能。其中R為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡稱地震力降低系數(shù)；而為最大非彈性反應(yīng)位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數(shù)；T則為按彈性剛度求得的結(jié)構(gòu)自振周期。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施（強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎）和抗震構(gòu)造措施。一般先以一具有統(tǒng)計(jì)意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強(qiáng)弱標(biāo)志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數(shù)）得到不同的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度（即小震的）來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而確定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)。由以上可以看出，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗(yàn)到基于非線性理論，從單純保證結(jié)構(gòu)承載能力的“抗”到允許結(jié)構(gòu)屈服，并賦予結(jié)構(gòu)一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉(zhuǎn)變。后來隨著對結(jié)構(gòu)非線性性能的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)取的地震作用只是賦予結(jié)構(gòu)一個(gè)基本屈服承載力，當(dāng)發(fā)生更大地震時(shí)，結(jié)構(gòu)將在一系列控制部位進(jìn)入屈服后非彈性變形狀態(tài)，并靠其屈服后的非彈性變形能力來經(jīng)受地震作用。到了60年代，隨著地面運(yùn)動(dòng)記錄的不斷豐富，人們通過單自由度體系的彈性反應(yīng)譜，第一次從宏觀上看到地震對彈性結(jié)構(gòu)引起的反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)周期和阻尼比變化的總體趨勢，揭示了結(jié)構(gòu)在地震地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)力特征。一. 抗震設(shè)計(jì)思路發(fā)展歷程隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路也經(jīng)歷了一系列的變化。一算就知道，現(xiàn)在許多樓盤會有一個(gè)房間墻全是玻璃，這樣的房子節(jié)能指標(biāo)可就不樂觀了。 　　專家告訴記者：住宅和公共建筑的窗墻比標(biāo)準(zhǔn)還稍有不同，南墻和北墻等標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。一般老百姓在選房時(shí)恐怕想不到這么細(xì)。 　　專家告訴記者：該標(biāo)準(zhǔn)也就是說，房子開間太大、進(jìn)深太小也容易不節(jié)能，一般別墅都容易超標(biāo)。 　　對此。比如建筑物體型系數(shù)就是其中常見的一種。 　　但市民似乎一個(gè)月用上200300元電費(fèi)的家庭大有人在，怎么回事？專家告訴記者：50元/月的標(biāo)準(zhǔn)僅指空調(diào)或其余采暖制熱設(shè)備的平均標(biāo)準(zhǔn)，此外普通家電等電費(fèi)不在其列。 　　記者請專家算了一筆賬，如果一套100m2的節(jié)能住宅，12度/m2時(shí)/m2，節(jié)能住宅約12千瓦年，而節(jié)能建筑應(yīng)當(dāng)少一半，為12度。節(jié)能建筑住宅電耗應(yīng)是12度/m2在這里，我個(gè)人認(rèn)為這也需要智能建筑領(lǐng)域的各子系統(tǒng)的廠商不斷推出新產(chǎn)品；政府逐漸推廣與扶持，讓“綠色建筑”“綠色城市”不只是單純的概念，讓每個(gè)人都能得到實(shí)惠與健康的新體驗(yàn)?！钡拇_，打造綠色城市將會帶來諸多的益處，綠色、環(huán)保、和諧、更好的招商引資等等。深圳市規(guī)劃局副局長許重光表示：“我們希望建設(shè)一個(gè)非常舒適美好的新城，吸引那些優(yōu)秀的創(chuàng)業(yè)人才到光明來。歐洲其他國家也在做著相應(yīng)的改造與嘗試，為各國綠色城市建設(shè)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。以英國為例：英國政府計(jì)劃英國未來所有的新建建筑物都必須是“零碳排放”的環(huán)保型建筑。 看罷綠色城市的概念，不禁感慨未來的城市發(fā)展的美好，但是美好城市的發(fā)展離不開各方面的努力。各國都在建設(shè)自己的生態(tài)城市、無碳城市，在中國深圳與上海的部分地區(qū)已經(jīng)在著手建設(shè)，首先讓我們來揭開“綠色城市”的面紗： 綠色城市即生態(tài)城市，生態(tài)城市的概念是在70年代聯(lián)合國教科文組織發(fā)起的“人與生物圈(MAB)” 計(jì)劃研究過程中提出的，這一嶄新的城市概念和發(fā)展模式一經(jīng)提出就受到全球的廣泛關(guān)注。因此，推廣應(yīng)用玻璃鋼門窗對凈化空氣、保護(hù)生態(tài)平衡有著重要意義。我國是一個(gè)發(fā)展中國家，地方人多，它每年因窗體為非節(jié)能型而浪費(fèi)的能源相當(dāng)大。 玻璃鋼門窗是繼木、鋼、鋁、塑后又一新型門窗，玻璃鋼門窗綜合了其他類門窗的防腐、保溫、節(jié)能性能，更具有自身的獨(dú)特性能，在陽光直接照射下無膨脹，在寒冷的氣候下無收縮，輕質(zhì)高強(qiáng)無需金屬加固，耐老化使用壽命長，其綜合性能優(yōu)于其他類門窗，由于它具有優(yōu)良的特性和美麗的外觀，被譽(yù)為21世紀(jì)建筑門窗的“綠色產(chǎn)品”。 在外保溫系統(tǒng)的具體研究和操作中，還有一個(gè)企業(yè)良心和社會責(zé)任的問題，同時(shí)，政府也應(yīng)積極采取有效措施，正確引導(dǎo)外保溫發(fā)展的方向，有力地破除目前外保溫市場“設(shè)計(jì)看安全、業(yè)主看價(jià)格、總包看回扣、監(jiān)理看紅包”的潛規(guī)則和游戲規(guī)則。筆者認(rèn)為，外保溫層的功能，僅限于增加外墻保溫效能以及由此帶來的相關(guān)要求，而不應(yīng)指望這層保溫構(gòu)造對主體墻的穩(wěn)定性起到作用；主體墻，即外保溫層的基底，必須滿足建筑物力學(xué)穩(wěn)定性的要求，能承受垂直荷載、風(fēng)荷載，并能經(jīng)受撞擊而能夠安全使用，還應(yīng)能使覆于其表面的保溫層和裝修層得以牢牢固定。四、外墻外保溫功能：穩(wěn)定主體墻？在工程實(shí)踐中，經(jīng)常聽到這樣的話語“結(jié)構(gòu)不足外墻保溫補(bǔ)”，也經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不驗(yàn)收或者驗(yàn)收不合格，就直接做外墻外保溫的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)工程隱患較大；而直接做外保溫時(shí)，從經(jīng)濟(jì)效果考慮，又經(jīng)常不按規(guī)范要求先對結(jié)構(gòu)找平糾偏，給外保溫質(zhì)量也帶來了諸多安全隱患，真是“外面溜溜光，里面一包糠”，質(zhì)量令人堪慮。對于復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)而言，以保溫層為分界線，筆者認(rèn)為，假如外墻體與保溫層的水蒸汽滲透阻之和大于（而且是越大越好）抹面層和裝飾層之和，在冬季時(shí)，室內(nèi)空氣通過擴(kuò)散作用進(jìn)入墻體的水分就可以很順利排出室外，否則就會在保溫層與抹面層的交界處產(chǎn)生冷凝，從而造成凍融破壞。一般地說，外保溫表面采用聚合物專用砂漿及柔性膩?zhàn)拥?，其防水問題都能得到解決；但在透汽問題上，學(xué)術(shù)界、應(yīng)用界爭議很大，一個(gè)比較典型的說法就是，XPS板、聚氨酯等材料不透汽，不適合作為外保溫主材，事實(shí)上已實(shí)施工程也鮮有成功案例。由于目前國家只出臺了膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保暖和膠粉聚苯顆粒保溫漿料兩種系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而市場上通行的外保溫做法又達(dá)十余種，因而如何選擇外墻外保溫系統(tǒng)確實(shí)是個(gè)問題。因而，從熱工性能上講，不存在選擇哪種外墻外保溫主材好與壞的問題，問題是外墻外保溫系統(tǒng)如何滿足JGJ144提出的十條基本要求。基于這種熟悉，我們對外墻外保溫系統(tǒng)的選擇進(jìn)行基本分析。從建筑力學(xué)和熱工學(xué)的角度，在建筑物外置外墻外保溫及裝飾系統(tǒng)，應(yīng)將其視為復(fù)合整體結(jié)構(gòu)來研究，而不應(yīng)將其分離為結(jié)構(gòu)層、保溫層、抗裂層以及飾面層單獨(dú)研究。從這個(gè)意義上講，不能單純地從風(fēng)壓破壞的角度主觀確定外墻外保溫應(yīng)優(yōu)先選用無空腔系統(tǒng)構(gòu)造。將上述問題進(jìn)行同步推研，假如采用吸水率較高的漿體材料作為主保溫材料，其對墻體水汽的吸附以及熱空氣向外遷移的冷凝水會不會產(chǎn)生上述同樣的問題？這有待于進(jìn)一步研究。筆者受相關(guān)部門邀請，參與了對新疆、內(nèi)蒙及安徽部分外保溫工程的質(zhì)量分析，住戶反映保溫效果不好，經(jīng)對工程解剖，我們觀察到，上述工程均為兩年以上工程，無一例外均采用吸水率較高的材料作為聚苯板的滿粘材料及抹面找平材料，外墻表面基本無裂紋，但滿粘層和抹面找平層均十分潮濕，且有水向外析出現(xiàn)象。二、外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造的最好選擇：無空腔？外墻外保溫體系應(yīng)優(yōu)先選用無空腔系統(tǒng)，認(rèn)為無空腔系統(tǒng)相比較于有空腔系統(tǒng)而言，其抗風(fēng)壓尤其抗負(fù)風(fēng)壓能力強(qiáng)，安全可靠性更高，似乎已達(dá)到了一個(gè)共識，事實(shí)上不盡然。既然是不一致的，也就缺乏同一比較的基礎(chǔ)。但是，從目前普通應(yīng)用的外墻外保溫系統(tǒng)而言，這一前提是不成立的。作為一名多年從事外墻外保溫研究的工作人員，筆者從工程實(shí)踐的角度談?wù)剬@些熟悉上的基本誤區(qū)的看法，期許能夠引起人們的一些思考。但令人遺憾的是，我國對于外墻外保溫的研究一直處于不夠深入的狀態(tài)，甚至以訛傳訛，在熟悉上一直存在很大的誤區(qū)。我國作為能耗大國，自上世紀(jì)80年代后期以來，逐步實(shí)施了節(jié)能30％、50％和65％的三步節(jié)能工作步驟，并開始在有條件的城市里展開更高節(jié)能指標(biāo)實(shí)施程度的有益嘗試，為第四步節(jié)能指標(biāo)的確立預(yù)備條件。建筑節(jié)能技術(shù)：外墻外保溫的四大誤區(qū)作為重要的建筑節(jié)能技術(shù)，外墻外保溫受到了世界范圍內(nèi)的高度重視，各國均開