论高层建筑抗震结构优化设计

余建国

【摘 要】随着城市化发展，城市人口密度不断加大，土地资源日益紧张，高层建筑获得了前所未有的发展，各种新型的结构体系在高层建筑工程中得到了广泛的应用，高层建筑的规模和高度不断地突破。高层建筑需要具有一定的抗震能力，这就要求在高层建筑的设计、施工中必须按抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设防。本文针对高层建筑的抗震结构设计进行研究分析，确保结构的安全性。

【关键词】高层建筑；抗震；结构优化设计

地震是地球上主要的自然灾害之一，也是危害极大的突发式自然灾害，是地球由于内部运动累积的能量突然释放或地壳空穴顶板塌陷等原因，使岩体剧烈振动，并以波的形式向地表传播而引起的地面颠簸和摇晃。随着人们对地震动力特性和结构动力特性理解的不断加深，结构抗震设计理论从最初的静力阶段和反应谱阶段，发展到动力阶段及目前的基于性态的抗震设计理论阶段。高层建筑考虑全系统和全寿命的抗震结构优化设计，应包括五个层次：一是结构功能的优化；二是结构选型的优化；三是结构体系的优化；四是结构尺寸的优化；五是基于最优设防烈度的抗震结构优化设计。

一、高层建筑结构的特点

建筑的结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。低层结构的水平荷载对结构影响通常较小，但在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着高度的增加，位移增加很快。但是过大的侧移会使人感觉不舒服，从而影响使用，会造成非结构构件和结构构件的损坏。所以必须将结构的侧移控制在一定的范围之内，于是抗侧力结构设计成为关键。

在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，可节省钢材，承载能力也不低，特别是近年来高强混凝土和超高强混凝土的研制应用，大大提高了混凝土承载力，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。因此，我国大都采用钢筋混凝土建高层建筑，但其主要缺点是构件断面大，占据面积大且自重大，而钢材强度高，韧性大，易于加工；高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好，钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。而在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构。由于钢筋混凝土和钢结构均各有所长，又各有所短，所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构，这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理，技术性能优良的效果，通常钢与钢筋混凝土组合于一个结构中有两种方式。

二、高层建筑结构的优化设计

结构优化设计是结构设计理论的重大发展。因为同一个设计任务，可以有多种不同的可用的设计方案，从所有可用方案中选出最满意的方案自然是理所当然的追求，任何情况下“择优而用”是人们无法回避的要求。从结构的宏观整体出发，用结构系统的观点，着眼于结构整体反应，正确处理结构总体方案、材料使用和细部构造等，以达到合理进行结构设计的目的。对一个结构工程师来说，概念设计能力比精确计算能力对确保结构设计安全可靠功能方面更为重要。

1.结构功能的优化

建筑使用对结构功能的要求，对结构的造价影响很大，要求结构具有过高的功能会造成浪费，要求过低会影响整个建筑将来的使用。这是对整个建筑工程项目所形成的结构集合的全局的规划问题，它主要决定于工程建成后用户对工程总的使用功能上的要求，然后在实现总功能要求的目标和有关约束条件下进行对各个结构功能要求的优化。例如，对大跨空间结构，最重要的是确定结构所需覆盖的空间尺寸；对高层建筑，最重要的是确定其高度和每层的空间布局。

2.结构体系选择的优化

决定对各个结构的功能要求之后，就要根据功能及其他要求为结构选型。高层建筑结构体系选择是结构设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定的作用。

（l）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。对于楼屋盖粱系的布置，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去；对于竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移，而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择；对于转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去；整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。抗侧力结构一般由框架、剪力墙、简体、支撑等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。

（2）结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。抗震设计的一个重要原则是结构应具有必要的赘余度和内力重分配的功能，即使地震中部分构件退出工作，其余构件仍能将竖向荷载承担下来，避免整体结构失效或失稳。

由于对结构的强度、刚度、动力特性、造价、抵御自然灾害的能力、美学效应以及其他社会效应的众多要求，结构选型是一个综合性很强的决策问题，它要求力学、结构、建筑学、美学、经济学等学科的密切配合才能很好地解决。

3.结构体系的优化

结构体系的优化是先从结构的概念设计入手，使结构的平面布置尽量规则、对称，立面和竖向规则，侧向刚度均匀变化。同时，通过计算和定量分析，对关系到体系整体性能的设计变量，如框架结构的柱网布置、框架一剪力结构中的剪力墙的数量、平面布置和刚度特征值等进行优化。

结构体系应包括具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。钢筋混凝土结构具有良好的塑性内力重分布能力，能较充分地发挥吸收和耗散地震能量的作用。在地震作用下，合理的破坏机制应该是框架地震破坏机制，节点基本不破坏，梁比柱的屈服可能早发生、多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。总之，框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力。而框架一剪力墙结构和剪力墙结构中剪力墙的各墙段的高宽比不宜小于2，使其呈弯剪破坏，且塑性屈服也宜产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。

4.结构尺寸的优化

在给定结构的几何形状、拓扑和材科的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，即进行结构构件尺寸的最小造价设计。

5.基于最优设防烈度的抗震结构优化设计

对抗震结构而言，在决定了结构的类型、布局、拓扑和材料之后，应该对结构的抗震设防水平进行决策，在设防水平决定之后，再进行结构的尺寸优化，这就是基于最优设防烈度的抗震优化设计。因为抗震设防水平定得太高，就会大大提高结构的造价，而且由于在结构服役期间可能遇不到那样强烈的地震灾害而造成不必要的浪费。相反，如果设防水平定得太低，就可能在地震灾害作用下由于结构破坏带来巨大的经济和生命财产损失，因而对抗震结构设计来说，这也是个重要的决策问题。在方法上，应采用二层次优化设计，第一优化层次为最优设防烈度的决策，第二优化层次为按最优设防烈度进行结构的最小造价设计。这种优化设计思想考虑了多级失效准则，充分利用了建筑场地的地震危险性分析成果，解决了设防烈度针对单体结构而不是针对地区的问题，并可与现行规范接轨。

三、结束语

高层建筑投资大，建设周期长，对其结合抗震分析进行优化设计以期获得最优结构方案并节约投资，一直是结构工程师所努力的。希望随着科技的发展，结构工程师能结合更多新技术、新材料，创造出更为安全舒适的具有抗震结构的高层建筑。