我国高层建筑的抗震性分析

刘珂 李杰

摘要：本文结合笔者多年的建筑设计经验阐释了提高我国高层建筑抗震性的重要性，并给出了一些设计理念和改进措施。

关键词：高层建筑、抗震性能、改进设计

Abstract: the author discusses the design of the building for many years experience in China to enhance the interpretation of the high-rise building the importance of vibration resistance are provided, and some design concept and improvement measures.

Keywords: high building, seismic performance, and improvement of the design

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

引言

我国是一个地处多地震带国家，东邻太平洋地震带，南接欧亚地震带，地震分布较为广泛，地震活动频度高、震级大，是世界上遭受地震灾害较为严重的国家之一。因此，随着经济的发展及社会需求的多样性，建筑的高度越来越高，体型变得更加复杂，抗震设计也变得愈加困难。如何从我国的地震环境和社会发展的实际情况出发，不断提高建筑结构抗震设计的水平，使之更安全可靠、更合理经济，是现下众多工程师的重要任务。结合笔者长期从事建筑结构的设计工作，在学习和从事结构抗震设计的实践中取得得一些思考和心得，对提高高层建筑抗震设计的几项措施进行了阐述，希望这些措施对同行们在以后工作中起到抛砖引玉的作用。

建筑结构抗震指标

震级是根据地震的强度而进行的划分，在我国，地震划分为六个级别：3 级为小地震，3～4.5 级为有感地震，4.5～6 级为中强地震，6～7 为级强烈地震，7～8 级为大地震，8 级以上的为巨大地震，是国家根据相关的历史、地理和地质方面的经验资料，经过勘查和验证，对进行地震分组的一个经验数值，它是地域概念。抗震设防有甲、乙、丁类建筑，在我国大部分的房屋抗震等级是 8 度，可以抵抗6 级地震的作用。强烈地震尤其是大震级地震是破坏性很大但发生几率很小的小概率事件。仅以我国为例，我国大部分地区都受到破坏性地震的威胁。新中国成立以来，发生过 1976年 7. 8 级的唐山大地震和 2008 年8 级的汶川大地震，造成了人民生命和财产的极大损失。但同时，也应当看到，大多数抗震设防区的建筑物在其整个服役期间并未遭受较大地震的袭击。综上所述：地震是一种随机震动，有着难于把握的复杂性和不确定性，很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。然而高层建筑作为社会生产的发展和人类物质生活的产物，是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。这就要求了结构工程师必须按抗震设计要求进行结构分析与设计，以期所设计的结构在强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，从而经济地实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计理念。

选择地基和场地

选择地基时，一般而言，岩石、半岩石和密实的地基土对房屋抗震最有利，是最好的建筑场地；而对房屋的抗震不利的基地有：有较厚软弱冲积土层场地的基地、土液化导致地基不均匀沉降的基地、自振周期与建筑结构基本周期相近的基地；选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施降低隐患，消除不利。

3、提高建筑自身的抗震性

建筑物的结构设计是影响抗震效果极为关键的一个因素，建筑物若要达到抗震目的，必须进行合适的结构设计，保证抗震措施的合理。本文仅讨论以下三个方面：

1）重视规则性。结构工程师总希望所设计的结构规则、对称、传力路径直接、简单。但随着经济的发展及社会需求的多样性，业主、建筑师对使用功能及建筑平、立面的多样化要求，不可避免地导致建筑的高度更高，体型更加复杂，工程师们不得不采用较为复杂的高层建筑结构体系，从而使高层建筑抗震设计也变得愈加困难。然而建筑及其抗侧力结构的平面布置应尽量简单、规则，刚度和承载力分布均匀。平面宜为矩形，方形、圆形等规则的平面，因为形状规整，地震时能整体协调一致，并可以使结构处理简化。否则当平面为 L、T 形时，形状凸出凹进，结构的质心和刚心不重和，地震时转角应力集中，扭转震动明显，导致远离刚心的刚度较小的构件，侧移量加大，所分担的水平地震力与显著增大，很容易发生破坏，甚至导致整个结构因一侧结构失效而倒塌。

2）选择建筑材料。从抗震角度设计来说，结构体系的抗震等级，其实质就是在宏观上控制不同结构的延性要求，例普通钢筋宜选用延性、韧性和可焊性较好的钢筋；普通钢筋的强度等级，纵向受力钢筋宜选用 HRB400级和HRB335级热轧钢筋，箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。从震害程度来说：地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比。一般说在相同条件下，质量大，地震作用就大，震害程度就大，质量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑物的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙以及屋面构件中，廣泛采用多孔砖、硅酸盐砌块、陶粒混凝土、加气混凝土板、空心塑料板材等轻质材料，将能显著改善建筑物的抗震性能。

3）关于隔震、消能。隔震即隔离地震，即在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层，使房屋与基础隔离开来，隔离地面运动能量向建筑物的传递，以减小房屋结构的地震反应，实现地震时建筑物只发生较轻微运动和变形，从而保证建筑物的安全。消能则是通过在建筑物中设置消能部件，使地震输入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗，一部分由结构的动能和变形能承担，以此达到减少结构地震反应的目的。随着高层建筑抗震要求的不断提高，使“延性结构体系”的应用日益局限，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求。而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。阻尼器在隔震与消震设计技术中应运而生，通过对阻尼器的利用，进行减震和能量的吸收，可以巧妙的避免或减弱地震对高层建筑的破坏作用。

4、常用的辅助手段。

为了面对突如其来的地震袭击，高层建筑还需要其它的辅助结构设计：

1）设置多道抗震防线。每次强震之后往往都会伴随多次余震，因此在建筑物的抗震设计过程中若只有一道设防，第一道防线遭到破坏之后，没有后备的第二道、第三道甚至更多的防线对地震的作用力进行阻挡，就难以避免高层建筑物的倒塌。

2）处理结构构件的强弱关系。有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和消耗大量的地震能量，例如: 同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。

3) 采用 “框架剪力墙”。 框架剪力墙具有性能较好的多道防线抗震结构，其中的剪力墙也是第一道抗震防线的主要的抗侧力构件。所以，剪力墙要足够多，保证它的承受能力较高，不小于高层建筑底部地震倾覆力矩的50%。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的 1.5 倍两者的较小值。

4）提高短柱的抗震性。高层建筑要求抗震设防除应满足强度、刚度要求外，还要满足延性的要求。提高混凝土短柱的抗震性能，主要也就是提高混凝土短柱的延性。这里列举几方面：采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力，降低其轴压比；由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成钢管混凝土，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，延性得到显著改善；由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可使用分体柱方法削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度。这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。

结语

自20世纪至今，我国的建筑结构抗震工作已经取得很大的成就，要在已有的基础上得到进一步的改进和发展，则不仅需要活用传统技术，更需要引用新技术。如计算机模拟抗震试验，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，可以拟真抗震效果，帮助科学改进各因素，有效抗震。而我们除了改进设计方法之外也需要不断汲取新的设计理念，以达成与时俱进的目的。

[参考文献]

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[5] 《混凝土结构设计》机械工业出版社

[6]JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程 北京:中国建筑工业出版社,2010