浅谈高层建筑结构的抗震设计

任晓丽 崔仲和

摘 要：随着经济飞速发展和社会不断进步，建筑物的高度越来越高，体型越来越复杂，如何提高高层建筑结构的抗震性能已经成为建筑设计的研究重点，本文重点介绍了高层建筑结构抗震设计的基本原则和基本方法。

关键词：高层建筑；抗震设计；发展趋势

中图分类号：TU208文献标识码： A

高层建筑结构抗震设计目标

我国《建筑抗震设计规范》提出三个水准的设防要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。具体设计过程中是通过二阶段设计方法来实现。

第一阶段设计，按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形；第二阶段设计，在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。第二水准抗震设防目标是以抗震构造措施来保证的。

高层建筑结构抗震设计的原则

1、结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能；结构构件应遵守强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件，强底层柱（墙）的原则，对结构的相对薄弱部位采取提高抗震能力的措施。

2、尽可能设置多道抗震防线；一个抗震结构体系应该由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作，强烈地震之后往往伴随多次余震，如果只设一道防线，结构在第一次破坏之后再遭受余震，将会因为损伤积累而导致结构倒塌。

3、适当处理结构构件的强弱关系；在抗震设计中某一部分结构设计较强，会造成结构的其他部位相对薄弱，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，保证结构延性。在抗震设计中应控制薄弱层，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。

高层建筑结构抗震设计

抗震措施

在结构的抗震设计中，除了要考虑概念设计，结构抗震验算外，历次地震后在限制建筑提高结构延性方面总结的经验也至关重要。当前，在抗震设计中从概念设计，抗震验算，构造措施三方面入手建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法，并通过一些结构措施如隔震措施。效能减震措施等来减少结构上的地震作用，使建筑结构在地震中保持良好的抗震性能。目前，强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍认可。

高层建筑抗震方法

针对高层建筑结构的特殊性质，分别从以下几个方面考虑抗震设计：

地基选择：高层建筑应该选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或者密实均匀的中硬土场地，远离河岸，避开不利地形，避免在断层，山崖，滑坡，地陷等抗震危险地段建造高层建筑。

有利的房屋体型：一栋房屋的动力特性基本取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局合理，结构布置符合抗震原则，就从根本上保证了结构良好的抗震性能。抗震性能良好的房屋具有一下特点：平面形状简单对称，立面变化均匀，房屋高度合适，房屋高宽比适中，基础埋深满足要求，防震缝设置合理。

合理的结构布置：高层建筑结构平面宜简单规则，刚度和承载力分布均匀，避免结构因为质心和刚心不重合导致扭转振动明显，甚至导致整个结构因为一侧结构失效而倒塌。结构竖向体型宜规则均匀，结构的侧向刚度宜下大上小，逐步均匀变化。避免因存在薄弱楼层导致层间位移加大而危及整个结构安全。

控制结构变形：地震时建筑物的破坏程度主要取决于主体结构变形的大小。水平地震作用下高层建筑结构各楼层的侧移主要包含四种，整体剪切变形，整体弯曲变形，整体平移，整体转动。对于不同的的结构，应该采取不同措施来控制结构的变形。减小结构侧移的途径主要有：减小框架的柱距和梁的跨度，采用弯-剪双重抗侧力体系，设置刚臂，竖向支撑的交错布置，变平面构件为立体构件，围护结构参与抗震，倾斜立面和扭转体型的利用，加大房屋等效宽度等。

确保结构的整体性：地震中，导致房屋破坏的因素有一下三种类型：结构丧失整体性，构件强度不足，地基不均匀沉陷。其中第一种后果最为严重。为了加强结构的整体性，应使结构具有连续性，保证构件间的可靠连接，提高结构的竖向整体刚度。

高层建筑结构抗震设计的未来发展趋势

1、动力时程响应分析的状态空间迭代法

动力时程响应分析的状态空间迭代法是把现代控制理论中的状态空间理论应用到高层建筑结构动力响应问题中，根据结构动力方程，引入速度与位移为为状态变量，导出状态方程，给出非齐次方程的解，进而建立状态空间迭代计算格式。经过工程实例验算，动力时程响应分析的状态空间迭代法对多自由度体系的多输入、多输出问题的动力响应解法效率较高，具有比较高的精度。

基于位移的结构抗震设计

基于位移的结构抗震设计是一种全新概念的结构抗震设计方法，它要求进行定量分析，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，还要控制结构在大震作用下的层间位移角限制或位移延性比。

基于位移的抗震设计第一步首先要研究简单结构的构件变形与配筋关系，实现按变形要求进行构件设计，进而研究整个结构进入弹塑性后的变形与构件变形之间的关系，基于位移的结构抗震设计是结构抗震设计的发展趋势。

材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析

材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析综合考虑了地震烈度的随机性及模糊性、烈度等级界限的随机性与模糊性、对结构抗震可靠度影响的材料参数变异性，改变了过去对结构可靠度的研究只是单纯考虑荷载的不确定性而忽略了其他不确定性因素。材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析的研究成果可用于指导基于可靠度理论的结构抗震设计并对现有的结构进行抗震可靠度评估。

隔震和消能减震设计的推广和应用

目前，世界各国普遍采用的传统抗震体系只是适当控制结构的刚度，但是容许结构构件在地震时进入非弹性状态，这种抗震体系也称“延性结构体系”，这种体系具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，但是在很多情况延性结构体系具有一定的局限性。随着社会的不断发展，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求，而由于隔震和效能减震控制体系具有传统抗震体系难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到广泛应用。

结束语

地震是一种随机振动，具有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。经济和安全是结构抗震设计的重要因素，随着社会进步和建筑业的发展，对建筑的抗震设计要求也越来越高，如何从我国高层建筑抗震设计现状出发，探求一种实用可行的抗震设计方法已经成为地震区高层建筑发展的新方向。