[分享]带你全面了解台湾地区建筑结构设计概况

时间: 2020-07-29 11:18 阅读: 次大中小

1 台湾地区现行主要结构设计规范

　　（1）台湾地区现行的设计规范主要有：《建筑技术规则》、《建筑物抗震设计规范及解说》、《建筑物抗风设计规范及解说》、《钢结构设计规范》、《混凝土结构设计规范》、《钢骨钢筋混凝土结构设计规范》、《建筑物砖构造设计规范》、《木构造建筑物设计技术规范》、《冷轧型钢设计规范》、《基础结构设计规范》、《公路桥梁抗震设计规范解说》、《公路桥梁设计规范解说》。

　　（2）施工规范主要有：《钢骨钢筋混凝土构造施工规范》、《钢构造建筑物钢结构施工规范》、《混凝土结构施工规范》、《建筑物砖构造施工规范》、《木构造建筑物施工技术规范》。

2 台湾地区抗震设计标准及设计地震力

2.1 台湾地区抗震设计要求发展历程

　　台湾地区的抗震设计规定主要经历了3个阶段：1974年以前，1974~1997年，1997年以后。目前抗震设计规范每隔若干年均会做修改。

　　第一个阶段的抗震规范是以经验法则来定设计地震力（图1（a））；第二个阶段的抗震规范是随振动力学、结构动力的研究，设计地震力已不再是固定的常数值，而会依结构特性与地质情况而改变；第三个阶段，抗震设计规范除规定设计地震力的大小外（图1（b）），尚再加规定结构体须采延性、减震或隔震的观念来进行构件与结构系统的设计，并订定须遵守的耐震延性细节，以及隔减震的设计方式。

　　2000年台湾地区《建筑耐震设计规范》和《桥梁设计规范》分别进行了修编，在维持对结构抗震概念设计要求的同时，对设计地震力进行调整。将地区系数Z调整为0.23~0.33（图1（c））。

图1 台湾地区设计地震力剪力系数或地区系数

　　台湾地区分别在2005年和2008年分别对上述两本规范进行了修编。依据上述各阶段抗震设计规范的公式，如以台北与台中为例，其设计地震力的剪力系数变化情形如图2所示。

图2 台湾地区各阶段的设计地震力剪力系数变化情形

2.2 抗震设计原则及方法

2.2.1 抗震设计原则

　　台湾地区现行技术标准维持三水准的设计原则，即：建筑结构在中小地震时保持弹性；设计地震时允许产生塑性变形，但延性需求不得超过允许值；大震时建筑结构的延性达到结构的最大值。

2.2.2 抗震设计要求

　　其规范规定的设计地震力为最小设计地震力。建筑结构、结构构件、非结构构件、机电设备、构筑物、效能减震和隔震建筑等，应设计及建造使其能抵御此最小地震力。如为提高建筑物的抗震能力超过此最低标准，设计地震力自然可予提高。结构分析需满足设计地震力的要求外，对建筑结构的延性也提出了要求，包括抗震或抗风控制的结构均需满足此要求。

2.2.3 抗震结构体系

　　现行台湾地区规范将结构体系划分为四类：

　　（1）承重墙系统：结构系统无完整承受垂直载重的立体构架，承重墙或斜撑系统须承受全部或大部分垂直载重，并以剪力墙或斜撑构架抵御地震力者。

　　（2）构架系统：具承受垂直载重完整立体构架，以剪力墙或斜撑构架抵御地震力者。

　　（3）抗弯矩构架系统：具承受垂直载重完整立体构架，以抗弯矩构架抵御地震力者。

　　（4）二元系统：二元系统具如下特性：1)具完整立体构架以受垂直载重；2)以剪力墙、斜撑构架及特殊抗弯矩构架（SMRF）或混凝土部分延性抗弯矩构架（IMRF）抵御地震力，其中抗弯矩构架应设计能单独抵御25%以上的设计地震力；3)抗弯矩构架与剪力墙或斜撑构架应设计使其能抵御依相对强度所分配到的地震力。

2.2.4 对结构分析方法的要求

　　形状规则的建筑物，不属须进行动力分析者，可以静力法进行结构分析。地震力可假设单独分别作用在建筑物两主轴方向上。静力分析方法适用于下列建筑物的抗震分析：

　　（1）建筑物的抗侧力结构体系满足延性限制要求，其高度小于50m，且未达15层的规则性建筑物或不须进行动力分析的不规则性建筑物。

　　（2）建筑物由上、下两部分构成，下部刚度大，上部刚度相对很小。此两部分分别考虑时，均系规则性建筑物。下部平均楼层抗剪强度至少为上部平均楼层抗剪强度的10倍以上，而整幢建筑物的基本振动周期不大于将上部的底部视为嵌固端所得基本振动周期的1.1倍者，此时上、下两部分的地震力可分别计算。不满足上述要求建筑物均要求进行动力分析。

3 台湾地区减震及隔震结构现状

3.1 减、隔震技术在台湾地区的发展和应用

　　台湾地区减震、隔震技术的广泛发展与应用，起始于921集集地震震灾所带给建筑界与工程界对传统抗震结构系统进一步的反思，其中减震的理念是立足于原有抗震结构构架上加装阻尼装置，很快在各种建筑结构设计中被引用。

　　其中最先引用的住宅案例，为2000年在台北市信义计划区一栋地上16层的SRC住宅，采用的形式为速度型壁式粘滞阻尼器(图3，4)。此后，依建筑特性与空间配置采用各种形式减震阻尼装置（图5，6）。

图3 壁式-粘滞阻尼器

图4 壁式-粘滞阻尼器（个案）

图5 壁式-粘弹性阻尼器

图6 液态粘滞阻尼器

　　另一类型的减振装置则主要应用于超高层大楼，作为提升风力作用下的舒适度为主的风阻尼器，在台湾地区的主要代表案例即为台北101大楼。台北101大楼所采用的调质阻尼器TMD（Tuned MassDamper）为一个针对大楼需求量身定做的被动阻尼系统，其位置设置于87~92层的核心位置，主要目的为减低大楼受风力吹袭时的摆动引致加速度，以确保大楼人员工作时的舒适度而设置。有别于一般隐藏式阻尼系统，台北101的TMD结合了建筑机能与结构功能的考虑，在88，89层可一窥阻尼器整体运作。其各组件的组成如图7所示。

图7 台北101大楼调质阻尼器TMD

　　隔震技术在台湾地区的大量引用稍晚于减震应用。在台湾地区第一个大型的案例应属坐落于新北市新店区的慈济医院，所采用的隔震形式主要为铅芯橡胶支座（Lead RubberBearing，LRB，图8）搭配外加阻尼器。

图8 铅芯橡胶支座

　　其后公共建筑如灾害应变中心、台大土木馆及许多住宅开发项目中均引用了类似的隔震形式，其中亦不乏有不同型态隔震装置的设计引用，如高阻尼橡胶支座（High DampingRubber Bearing，HRB，图9）、复合式组合（RB+U型环、弹性滑移支承，图10）、弹性滑移支座（图11）及摩擦单摆隔震器（FrictionPendulum Isolator，图12）。其中摩擦单摆隔震器的主要代表案例为台北艺术中心，由于其造型特殊且垂直荷载因剧场特性使得其变动率与不确定性极高，益发彰显了采用摩擦单摆隔震器的结构适用性。

图9 高阻尼橡胶支座

图10 橡胶支座+U型环

图11 弹性滑移支座

图12 摩擦单摆隔震器

3.2 隔震设计基本原则

　　在设计地震作用下，对隔震建筑设计的基本要求超过传统结构。在设计地震下，隔震系统能正常发挥功能，隔震系统上部的结构体保持弹性，非结构组件无明显损坏。对不符合可采用静力分析法规定的隔震建筑物，除上述要求外，亦须考虑在最大考虑地震下，隔震系统仍能正常发挥功能，隔震系统的上部结构容许产生屈服，但使用的延性不得高于规定的容许延性容量，且非结构组件无严重损坏产生。

3.3 隔震结构的分析方法

　　现行台湾地区规范提供静力分析法、反应谱法、非线性时程分析法等三种不同方法以决定隔震结构的设计地震力。

　　符合下列规定的隔震建筑物，可依规范规定的计算地震力，以静力法进行结构分析，地震力可假设单独分别作用在建筑物的两水平主轴方向：

　　（1）隔震系统及其上部结构满足规则性要求。

　　（2）结构隔震后的有效周期Te≤2.5s。

　　（3）结构坐落于第一类及第二类地盘且距第一类活动断层有适当距离。

　　（4）隔震系统具有下列属性者：1）隔震系统能产生回复力；2）隔震系统具明显不受加载率影响的力与位移特性。

　　反应谱分析法可用于设计隔震建筑物在设计地震下的分析。非线性时程分析法可用于设计所有隔震结构。

4 台湾地区结构设计审查办法

　　台湾地区的结构设计的审查办法系由各县市主管机关（一般为县市政府工务局或都市发展局）根据其需求确定。以台北市为例，订定有《台北市建造执照申请有关特殊结构委托审查原则》，其内容如下：

　　（1）建筑物高度在50m以上者，应依建筑相关规定，将其结构设计委托审查。但建筑物高度未达50m而有下列各款情形的一并经台北市政府都市发展局（简称本局）认为有必要者，亦应将其结构设计委托审查。

　　1）钢筋混凝土构造且设计跨距在15m以上者；2）地下层开挖的的总深度（含基础）在12m以上，或地下层开挖超过3层的建筑物；3）建筑基地位于地质敏感地区者，地下层开挖的总深度（含基础）在7m以上，或地下层开挖超过1层的建筑物；4）山坡地形的建筑基地，其规划建筑基地地面在3个以上者；5）其他情况特殊并有安全顾虑者。

　　（2）受理委托审查的机关、团体如下：1）台湾结构工程学会；2）台北市结构工程工业技师公会；3）台湾地区结构工程技师公会；4）新北市结构工程技师公会；5）台北市土木技师公会；6）台湾地区土木技师公会；7）新北市土木技师公会；8）台湾大学工学院地震工程研究中心；9）财团法人中华顾问工程司；10）台湾地区建筑学会；11）台北市建筑师公会；12）社团法人台湾地区建筑技术学会；13）财团法人台湾建筑中心；14）其他经本局核备的机关、团体。

　　各审查机关、团体的担任审查人员应报本市建筑管理工程处（简称建管处）核备，异动时亦同。但各审查人员并以参加前项各机关、团体中的一个为限。

　　（3）建造人于领得核发的建造执照后，应自行择定第2点所列审查机关、团体中的一个，并检送审查所需书图文件等资料至该机关、团体审查建造执照变更设计申请案仍由原审查机关、团体办理。但建筑物的结构系由担任审查人员为设计者，不得委托该审查人员所属的机关、团体办理审查。

　　（4）各审查机关、团体于受理特殊结构委托审查案件，应依下列方式办理：1）每一案件的审查人员应在5人以上，其中并须聘用一位具有大地技师或现职为大地工程相关科系副教授以上教职，或具备台湾地区教育部门认可的大地工程相关科系的硕士学位者。2）除较单纯的局部变更设计案件外，应举行公开形式的会议审查，并允许自由旁听。3）认为有必要时，得邀请审查机关、团体于审查完成后建管处准予备查前，举行简报说明。

　　（5）委托审查费用由建造人依第3点委托审查机关、团体审查前，径向台北市建筑师公会缴纳。委托审查完成的案件经建管处备查后，由该公会拨付审查费用给审查机关。

　　（6）委托审查完成的案件，应由委托审查机关、团体检送经加盖审查人员印章及审查机关、团体印鉴的钻探报告、结构计算书、施工图说（一式三份）及审查机关、团体出具的审查意见书等资料，经建管处备查，始得申报开工。

　　（7）审查机关、团体应于起造人函请委托审查文到后3个月内审查完成，并将审查结果函知建管处。

5 台湾地区结构工程实例介绍

5.1 台北艺术中心工程

　　台北艺术中心（图13,14）主要包括一个大剧院（约1500座位）、两个中型剧院以及对应的排练室、办公室及工作间。建筑总楼地板面积约为59560m2，基地面积为20750m2。

　　建筑由以下几部分组成：1）方形量体：总高为55m，50m长、50m宽，包括了所有舞台、后台等设施，大厅、办公室及排练室。2）3个剧院分别为：大剧院、多形式中剧场、镜框式中剧场。观众席则自方形量体向外延伸并通过结构柱支撑其载重。建筑理念上最大的要点是大剧院与多形式中剧院尚可整合为超级大剧院从而提供更多的使用自由度。3）停车场和设备室位于单层地下室。

图13 台北艺术中心

图14 台北艺术中心SAP2000模型

　　本案采用基础隔震系统（图15，16）。相较于传统结构，采用隔震系统可以显著降低结构的地震力，除适用于本案复杂而不规则的建筑结构形式外，并符合设计要求需达到的医院的性能等级。隔震区范围涵盖所有主要的上部结构柱。

图15 台北艺术中心采用的隔震器

图16 台北艺术中心隔震区和非隔震区

5.2 某钢铁企业总部大楼外露巨型结构设计

　　工程地点位于高雄市前镇区（成功二路/复兴三路）；工程规模：地上29层/地下4层（图17）；建筑用途：办公室；结构系统：二元系统(巨型桁架斜撑+SMRF)；结构构造：钢构造(SS)；建筑师：大元联合建筑师事务所；结构设计：永峻工程顾问(股)公司，长辉结构技师事务所。

图17 某钢铁企业总部大楼

　　建筑结构特色：1）前卫的外观设计与特殊钢构巨型桁架系统；2）以4个方型量体的外周巨型桁架系统与中央轴心的SMRF服务核，内外构架组合构成完整的二元系统，外周巨型桁架系统以八层楼为结构转折单元，藉由外露结构的立面巨型桁架转折搭配帷幕处理，塑造特有的结构律动特色；3）采用构件与结构系统双重优化设计，配合巨型桁架斜撑转折楼层的加强桁架带，使4组单元巨型斜撑系统完整联结为一整体抗震防线；4）用ANSYS进行特殊角柱接头的详细应力分析，验证接头应力传递符合设计的性能要求；5）根据侧推分析验证耗能机制的时序变化以及位移的控制，本案展现极优异的结构行为与抗震性能要求。见图18~22。

图18 某钢铁企业总部大楼结构系统

图19 某钢铁企业总部大楼抗侧力系统

图20 钢结构接头ANSYS 3D模型系统

图21 钢结构接头Mock-up

图22 钢结构构架

5.3 中兴工程顾问社研究大楼

　　中兴工程顾问社研究大楼工程概况见图23，大楼全貌及细部设计见图24和图25。

图23 工程概况

图23 研究大楼全貌

图25 结构细部设计

5.4 全悬吊结构：高雄市立图书馆总馆

　　高雄市立图书馆总馆位于高雄市新光路/林森路；工程规模：地上8层/地下1楼，总楼地板面积39705m2；结构系统：钢构造巨型构架+全栋悬吊系统；业主：高雄市政府文化局；建筑设计：刘培森建筑师事务所；结构设计：筑远工程顾问有限公司；营造厂：春原营造+春源钢构。

　　工程结构为地上8层，地下1层的钢结构建筑物。图26(a)为图书馆结构透视图，为创造地面层的空间穿透性，实现1层平面上不落柱的结构特色，利用四个角落的服务核组成不同特色的巨型柱(Mega Column)见图26(b)及图27，配合8楼的巨型桁架层组成三维立体巨型构架(Mega Frame)，形成本工程的主要结构系统，满足整体结构抗震及耐风的侧向力设计需求。同时利用钢材受拉效率最高的材料特性，以直径6~12cm的钢棒取代传统的结构柱断面(90cm×90cm)，将3~7楼图书馆使用空间悬吊于主结构系统下方；大幅提升室内空间的视觉通透性，有效增进了使用空间的管理便利性。

(a)结构透视图

(b) 3层结构平面图

图26 高雄市立图书馆结构透视图与平面图

图27 巨型柱与巨型构架

　　工程设计采用《钢结构极限设计法》(类似AISC LRFD)，并依照台湾地区《耐震设计规范》，进行反应谱动力分析设计。除前述动力分析外，并参照FEMA-273，采用ETABS软件进行非线性侧推分析，结果（图28）显示结构行为与设定的破坏机制(消能机制)一致且性能良好。

(a) 2500年回归期阶段 (b) 崩塌阶段

图28 非线性侧推分析塑性铰分布

　　悬吊系统为本案设计要点，工程钢棒标准模数采用10.5m×10.5m，搭配具超额强度的钢梁组成网状悬吊系统，上下层钢棒采用续接的方法作串接，详见图29。设计上的安全机制，除钢棒接头本身与钢大梁具有超额强度外，另设计使钢棒不受弯不受压。在台湾地区地震中心进行实尺寸的钢棒接头试验(整组试体含钢棒、托座接头及十字托梁)，试验结果皆满足设计需求。