高层建筑结构抗震设计方法分析

肖湘　宋水兰

摘要：随着建筑事业的飞速发展及城市建设用地的局限性，高层建筑的设计在城市的建设中占了主导地位。目前，高层建筑设计具有层数和高度不断增加、体型和平面布置日趋复杂的特点。而地震等自然灾害严重影响了建筑的安全性能，因此，如何对高层建筑结构的设计，提高其抗震性能，是建筑设计中所要研究的重点之一。本文介绍了几种高层建筑结构抗震设计方法。

关键词：抗震设计；高层建筑；措施；分析方法

1.前言

由于城市人口的发展，为了节约用地，更好地利用空间，往往在建筑设计时首先考虑高层建筑，从而高层建筑有了飞速的发展，高层建筑的发展趋势是高度越来越增加，体型和平面日趋复杂。由于高层建筑又坐落在不同的地域，加上地质构造复杂，高层建筑很容易受到地震等自然灾害的损害，地震发生具有很大的随机性，破坏后果严重。而高层建筑抗震设计方法研究目前还不十分成熟，仅仅依据微观的数学力学，没有充分考虑高层建筑结构内力的阻尼变化、材料时效、非弹性性质以及空间作用等其他相关因素，很难在结构上提高高层建筑的抗震能力。为了降低在遭遇地震时的经济和人力损失，因此，对高层建筑结构的抗震设计方法研究具有很大的必要性。

2.地震对高层建筑的作用影响分析

2.1对高层建筑构件形式方面

（1）在高层建筑的框架结构中，通常地震对板和梁的破坏程度轻于柱；

（2）地震作用经常在多肢剪力墙（钢筋混凝土结构）的窗下引起交叉斜向的裂缝；

（3）如果混凝土柱配置螺旋箍筋，即使地震引起较大的层问位移，对柱以及核心混凝土作用并不明显；

（4）钢筋混凝土框架结构，如长、短柱并用于同一楼层，长柱受损害较轻。

2.2对高层建筑结构体系方面

（1）对于钢筋混凝土柱、板体系的高层建筑，各层楼板因楼层柱脚破壞或者侧移过大以及楼板冲切等因素而在地面坠落重叠；

（2）对于“填墙框架”体系的高层建筑，由于受窗下墙的约束，因而容易发生外墙框架柱在窗洞处短柱型剪切现象；

（3）对于“填墙框架”体系的高层建筑，地震对采用敞开式框架问未砌砖墙的底层破坏严重；

（4）对于框架一抗震墙体系的高层建筑，地震损害不大；

（5）对于“底框结构”体系的高层建筑，地震严重破坏刚度柔弱的底层。

2.3对高层建筑地基方面

（1）如果地基自振周期与高层建筑结构的基本周期相同或相近，地震作用因共振效应而增加；

（2）如果高层建筑处在危险和地形不利的区域，则容易使高层建筑因地基破坏而受损；

（3）地基处地质不均匀，在地震作用下容易使上部结构倾斜甚至倒塌；

（4）若高层建筑的地基处有较厚的软弱冲积土层，则地震作用对高层建筑的损害显著增大。

2.4对高层建筑刚度分布方面

（1）对于采用L形以及三角形等平面不对称的高层建筑，地震作用能够使建筑结构发生扭转振动，因而损害现象严重；

（2）对于采用矩形平面布置的高层建筑结构，如果该建筑的抗侧力构件（如电梯井等）布置存在偏心情况时时，同样会使建筑结构发生扭转振动。

3.建筑结构抗震设计方法分析

3.1静力法

如果以F作为地震作用于建筑设施的力，以M表示建筑物的重量，以R表示地震震度，则有以下公式：

F=R×M （1）

这种以“震度”表示地震尺度的想法，在1924年（日本关东发生大地震后第二年）被纳入日本的建筑工程相关的技术规范中，当时，人们已经意识到房屋的重量是影响地震破坏能力的一个极为重要的因素。在当时的条件下人们认为为建筑重量10%的水平力大约地震惯性力相当。在当时还假定：建筑结构的承载能力大小决定了房屋的抗震能力大小；地震力与建筑地基以及结构的实际特性等因素无关。

3.2反应谱法

美国在1933年长滩发生大地震以及在1940年ELcentro发生大地震时。均取得了强震加速度记录。美国的一些相关研究者依据建筑物自振特性资料以及这些强震记录提出了著名的地震反应谱理论，具有非常重要的现实意义。近些年来，我国在抗震设计领域也取得了较大的进展，逐渐形成了科学合理而又普遍适用的建筑结构抗震设计方法。大部分的建筑结构抗震设计规范都是根据结构能力以及反应谱理论建立起来的。

3.3弹性动力时程法

弹性动力时程分析法抗震结构设计的原理是，根据地震烈度、高层建筑场地类别以及设计分组的判断，然后选用合适数量的地震地面运动加速度的记录，对其积分然后求解运动方程，最终计算出在模拟的地震中建筑的加速度、速度以及位移的响应，进行抗震设计。高层建筑运动方程是独立的，我们要计算各个时刻的结构反应只需用到数值方法求解。

3.4静力弹塑性法

静力弹塑性分析方法的原理为计算现有设计方案的抗侧力能力，进而估计出其抗震能力，其具体方法为：根据房屋的具体情况在房屋上施加某种分布的水平力，逐渐增加水平力使结构各构件依次进入塑性，调整水平力的分布和大小，直到结构达到位移超限。其优点在于：据结构的振型变化可以求得水平力的分布，根据结构在不同工作阶段的周期通过设计反应谱可以求得水平力的大小。

3.5动力弹塑性分析法

我们以{y}，{y'}，{y''}分别表示运动的水平位移和速度以及加速度，以y_g表示地面运动水平加速度，则在多自由度系统中，在地面运动作用下的振动方程可以用以下公式表示：

[M]{y''}+[C]{y'}+[K]{y}=-[M]{L}y_g（2）

采用各种手段划分由强震记录的水平方向上的时间一加速度曲线，将其分为一系列极小的时间段，运用震动方程对对每一个时段方程进行积分求解，可求得每个时间段内体系的加速度、速度以及位移，最终可计算出结构内力。

4.建筑结构抗震方法的比较

地震是一种破坏性严重的自然现象，其三要素分别为：幅值、持时与频谱特征。建筑结构抗震设计的方案应体现地震动特性和结构特性，所考虑的地震作用应在在地震作用下最大程度地反映结构的真实响应。表1为抗震设计方法反应结构特性以及地震动特性的具体情况对比。

5.建筑结构设计案例分析

某高层建筑，地下3层，地上28层，总建筑面积约6万m²。其中，7～28层为住宅区；第6层作为空中花园以及设备转换层；4～5层为办公用区域；1～3层为商场楼层；地下3层作为设备用房和车库；第7层楼盖作为高层建筑的结构转换层。高层建筑总高度（地面以上）为90.4m。该高层建筑以钢筋混凝土框架剪力墙作为工程主体，柱截面面积为700×1100m²、800×1100m²，墙厚2-4m，板厚为：转换层1.8m、天面1.2m、住宅1m、裙楼1.1m，梁截面面积为190×400-240×600m²。转换层框支梁为400×1300-500×1500m²。该高层建筑要求Ⅶ度的防烈度；建筑设防类别为丙类；设计第1组为地震分组。预期的抗震等级为：8层以上为二级；1-8层为一级；6层以下普通框架为一级；框支框架为特一级。根据建筑结构抗震设计的相关规范，本工程设计中有四项不合理，具体为：

5.1扭转不规则

在考虑各种因素的情况下，楼层竖向构件的水平位移最大应小于等于该楼层平均值的1.2倍，而在本高层建筑中此比值最大为1.32，大于1.2，属于扭转不规则。

5.2凹凸不规则

在该高层建筑中，平面最大凸出部位凸出尺寸为L=17.24m，B_max=41.20m，L与B_max之比为41.84%，而规范要求的此值为35%。

5.3楼板局部不连续

塔楼部分楼层电梯间局部楼板最小净宽3m，相关的建筑规范规定此值为5m。

5.4竖向抗侧力构件不连续

塔楼剪力墙通过转换梁向框支柱传递，属竖向抗侧力构件不连续。

5.5解决措施

具体到本高层建筑，在进行建筑结构抗震设计时为了满足相关规范的要求，需要采取的措施如下：

（1）加强剪力墙底部部位。

（2）根据规范要求提高框支柱的配筋率。

（3）塔楼楼梯问及周边楼板厚度增大至1.5m。

（4）转换层板厚度增大至1.8m。

（5）将剪力墙底部加强部位的钢筋配筋率提高到0.5%。

（6）将剪力墙的底部加强部位以及框支柱等部位的抗震等级均提高一级。

6.结束语

随着高层建筑的发展，建筑结构的抗震设计显得越来越重要。高层建筑结构的抗震设计方法和抗震措施在不断的改进，在对建筑结构进行抗震设计时要根据高层建筑的实际情况而选择科学合理的抗震结构设计方法。

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收稿日期：2013-4-17

作者简介：肖湘（1964-），男，高级工程师，从事教学工作。

宋水兰（1985-），女，助教，从事教学工作。