浅谈如何做好高层建筑结构抗震设计

梁国忠

摘要：文章对如何做好高层建筑结构抗震设计进行探讨。要正确运用“概念设计”，避免采用不规则的建筑结构；控制好结构地震扭转效应；不规则的建筑结构(分平面不规则和竖向不规则)，应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施；高层建筑结构应具有必要的刚度。

关键词：高层建筑；建筑结构；抗震设计

中图分类号：TV233文献标识码：A

文章编号：1674-1145(2009)09-0142-02

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们更加注重建筑的美观，业主也越来越多地追求体型复杂的建筑，现在大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，往往形成结构规范所规定的不规则建筑(包括平面布置、竖向布置)，因此对建筑结构特别是高层建筑结构设计提出了更高的要求。而正确处理好如下几个方面的设计要求，是做好高层建筑结构抗震设计工作的关键。

一、正确运用“概念设计”，避免采用不规则的建筑结构

在高层建筑结构方案设计阶段，结构设计人员应该与建筑设计人员充分协商，一起在建筑平面布置、竖向布置等方面，共同做好建筑结构抗震设计。更应该正确运用“概念设计”，“概念设计”是指对一些难以做出精确计算分析，或在某些规程中难以具体规定的问题，应该由设计人员运用概念进行判断和分析，以便采取相应的措施，做到比较合理地进行结构设计。

理论与实践均表明，一个先进而合理的高层建筑结构设计，不能仅依靠力学分析来解决。因为对于较复杂的高层建筑，某些部位无法用解析方法精确计算；特别是在地震区，地震作用的影响因素很多，要求精确计算是不可能的。因此，不能仅仅依赖于“计算设计”，还要正确运用“概念设计”，对结构平面布置、结构竖向布置、变形缝的设置、基础设计等加以正确处理。

二、控制好结构地震扭转效应

大量地震灾害表明，当结构的平面布置或剪力墙的设置较复杂且不对称、不规则时，或在风载及地震作用下，各层水平荷载合力中心与结构刚度中心不重合，结构除发生平移外，结构极易发生扭转脆性破坏，甚至导致结构整体倒塌事故。所以，当水平荷载合力的作用线不经过建筑物的刚度中心时，应考虑扭转的影响。

在扭转作用下，各片抗侧力结构的层间变形不同，距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大。因此，在结构设计时应注意扭转引起的附加变形不应太大。

在上、下刚度不均匀变化的结构中，各层的刚心并不一定在同一根竖轴上，有时刚心位置还会相差较大。此时，各层结构的偏心距和扭矩会改变，各层结构的扭转修正系数也会改变，应分别计算。

计算时必须控制好扭转效应的两个重要指标：周期比、位移比。但周期比、位移比不是要求结构足够结实，而是要求结构承载布置更合理。如果结构计算结果不能满足规范要求时，则必须进行调整。

1．周期比的调整方法：当计算出的周期比Tt／T1不能满足规范要求时，可采用加大抗侧力构件截面或增加抗侧力构件数量的方法，且将抗侧力构件尽可能均匀地布置在建筑物四周，对结构方案应从加强抗扭刚度，减少相对偏心，使刚度中心与质量中心一致，减少结构平面的不规则性等角度出发，进行调整。有时仅调整抗侧力构件的刚度，很难达到理想的效果，应调整抗侧力构件的布置，增大结构的抗扭刚度。调整时如结构的层间位移角刚刚满足规范，结构的刚度富裕量不大，可以均衡地加强结构外围刚度；如结构的层间位移角远小于规范限值，结构的刚度富裕量很大，可以在加强结构外围刚度的同时，均衡地削弱结构内部中心抗侧力构件的刚度，效果更为明显。如仍不能满足规范要求时，应设置防震缝，将不规则平面划分为若干相对规则平面等法处理。

2．位移比的调整方法：当结构的周期比Tt／T1满足规范要求时，结构的位移比(只有在刚性楼板的假设下计算才有意义)也会得到很大的改善，但改善并不等于一定满足要求，在有些情况下，周期比已经控制得很好了，但有些个别层的位移比仍不满足要求，这就需要进行微调，常用方法是：(1)增加最大位移处构件刚度，减少最小位移处构件刚度，这种方法只适用于结构顶部几层承载力要求不高，而位移比又不满足要求的情况；(2)在最大位移处局部加剪力墙；(3)如果建筑不允许布置剪力墙。则可增加框架部分侧向刚度，即加大局部结构构件截面尺寸的方法。若仍不能满足规范要求时，应设置防震缝，将不规则平面划分为若干相对规则平面等法处理。

三、不规则的建筑结构(分平面不规则和竖向不

规则)，应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施

1．平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：

(1)扭转不规则时(位移比超过了1.2倍的限值)，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍。

(2)当楼板凹凸不规则或楼板局部不连续，或当楼板过于狭长、平面内变形明显时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型(如弹性楼板或局部弹性楼板)，当平面不对称时尚应计及扭转影响。抗震构造措施：当中央部分楼板有较大削弱时，应加强楼板以及连接墙体的构造措施，必要时可在外伸凹槽处设置连接梁或连接板。

2．平面规则而竖向不规则的建筑结构，当层刚度比不能满足规范要求时(即该层的侧向刚度小于相邻上一层的70％，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80％；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25％)，说明结构的竖向不规则。此时，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求：

(1)竖向抗侧力构件不连续时[即竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架)向下传递]，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25～1.5的增大系数；

(2)楼层承载力突变时(即抗侧力结构的层间的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的80％)，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65％。

3．平面不规则且竖向不规则的建筑结构，应同时符合上述1、2款的要求。

四、高层建筑结构应具有必要的刚度

结构的刚度太大或太小，在结构计算结果中表现出周期的偏小或偏大，相应的主体结构的位移也偏小或偏大。此时可采用调整与结构刚度有关的参数，如构件的截面尺寸、混凝土的强度等级、剪力墙结构开洞大小等情况；或调整计算参数的设置，如调整梁的刚度放大系数，来满足规范合理的范围。

正常使用条件下，限制建筑结构层间位移的主要目的为：

第一，保证主要结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构要避免混凝土墙或柱出现裂缝；将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度限制在规范允许范围之内。

第二，保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损坏。

因此，《高规》第4.6.3条规定了按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比的限值，建筑结构抗震设计计算必须《高规》的有关规定。

五、结构计算结果还应检查以下主要控制参数和指标

例如自振周期、振型曲线、地震力、水平位移特征、剪重比、轴压比、刚重比、有效质量参与系数、截面配筋率、剪跨比等是否满足有关设计规范的要求，各结构构件是否已通过了挠度和抗裂缝验算。结构计算结果正常，才是合理的设计。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范(GB50009-2001)[M]．中国建筑工业出版社，2002．

[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[M]．中国建筑工业出版社．2002．

[3]混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[M]．中国建筑工业出版社。2002．