浅谈高层建筑结构抗震设计

和佳一

（辽宁省城乡建设规划设计院，辽宁 沈阳 110006）

随着经济水平的增长和高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已变得越来越重要。特别是我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，高层建筑结构的抗震仍然是建筑物安全考虑的重要问题。

1 高层建筑抗震设计中经常出现的问题

1.1 抗震设防烈度低

现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内超越概率为10%的地震烈度，较低的抗震设防烈度放松了高层建筑的抗震要求。

1.2 地基的选取不合理

高层建筑应选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地，远离河岸，不应垮在两类土壤上，避开不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。高层建筑的地基选取不恰当可能导致抗震能力差。

1.3 部分建筑物高度过高

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。在这个高度，抗震能力还是比较稳妥的，但是目前不少高层建筑超过了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，建筑物的抗震能力会下降，很多影响因素也发生变化，结构设计和工程预算的相应参数需要重新选取。

1.4 材料的选用不科学

结构体系不合理。由于我国建筑结构主要以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。

2 建筑抗震的理论分析

2.1 建筑结构抗震规范

建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结，是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算，结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平，又反映了各个国家的具体抗震实践。

2.2 抗震设计的理论

2.2.1 拟静力理论。拟静力理论是20世纪10～40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上，地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)。

2.2.2 反应谱理论

反应谱理论是在加世纪40～60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。

2.2.3 动力理论

动力理论是20世纪70－80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

3 高层建筑结构抗震设计的基本方法

3.1 推广使用隔震和消能减震设计。目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。

3.2 减少地震能量输入

积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。对于高层建筑，选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。错开地震动卓越周期，可防止共振破坏。

3.3 在高层建筑的方案设计阶段

结构材料选用也很重要。可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。

3.4 高层建筑减轻结构自重

从地基承载力来看，如果是同样的地基条件，减轻结构自重意味着在不增加基础或地基处理造价的情况下，可以多建层数，特别是对于软土更为明显。地震效应与建筑质量成正比，结构质量的增加必然引起地震力的增大。高层建筑由于高度较大，重心较高，地震作用倾覆力矩也随质量的增加而增大。设计时要求高层建筑物的填充墙及隔墙应采用轻质材料。

3.5 高层建筑结构应设置多道抗震防线。建筑物应设置多道抗震防线，当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续的地震动的冲击，使建筑物免于倒塌。高层结构形式应采用具有及壁式框架的框架剪力墙，剪力墙框架简体，筒中筒等多道抗震防线结构体系。

4 高层建筑结构抗震设计的展望

建筑材料对结构抗震的影响越来越得到重视。建筑材料的各个抗震指标的提升可以提高高层建筑的抗震能力，研制新的建筑材料可推动高层建筑结构抗震技术的发展。通过优化的抗震方法设计，来实现高层建筑的抗震要求。按照结构综合抗震能力的要求采取抗震措施时，对同一建筑结构不同的楼层和不同部位的构件，构造措施的基本要求不同。当同一建筑结构不同部位的性能要求有明显差异时，也可有响应不同的基本要求。设计人员在掌握整个结构抗震措施的基本原则要求和构造基本抗震措施的基础上，发挥主观能动性，通过优化方法设计出满足抗震设防标准的建筑结构。结构减震体系采用的是以“柔”克“刚”的新概念，它通过调整结构动力特性、隔震、减能或控制来达到抗震的目的。计算机模拟抗震试验得到广泛应用。将制作好的模型或结构构件放在模拟地震振动台上，台面输入某一确定性的地震记录，能够较好地反映该次确定性地震作用的效果。计算机模拟环境可以拟真抗震效果，帮助科学改进各因素，有效抗震。

5 结束语

随着新型结构原理的进步，高性能材料的发展，计算机技术水平的不断提高，促使人类建筑再上一个新的台阶。新型结构体系结构形式复杂，分析难度大，全面细致的考虑结构各个构件和每个组成部分，成为今后新型结构体系设计和考虑的重点。

[1]许福海.建筑结构抗震的发展及前景展望[J].新疆职业大学学报.2004.

[2]建筑结构抗震设计.中国建筑工业出版社.2009.