试论超高层建筑结构的抗震性设计

刘国荣摘　　要：由于超高层建筑科技含量高、设计与施工过程复杂，所以仍存在一些亟待解决的问题，尤其是超高层建筑的抗震设计。本文论述了超高层建筑的含义及特点，重点从结构抗侧刚度控制、性能化设计及多道设防等方面探讨了超高层建筑的抗震性设计。关键词：超高层建筑；抗震性；设计；侧向刚度中图分类号：TU31　　　　　　　　　　文献标识码：A

试论超高层建筑结构的抗震性设计

调查显示，至今我国已落地建成和正处于建设或规划期的超高层建筑超过百座以上，各样式和各类型的超高层建筑纷纷涌现，不仅体现了人们的需求，也呈现出社会的发展趋势和建筑设计类型的变化。本文在参考《建筑抗震设计规范》、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的基础上，充分考虑实用性、安全性、经济环保性、抗侧刚度需求、性能化设计及多道设防等方面展开抗震设计的探讨。

1　超高层建筑

超高层建筑高度要求与结构类型和抗震烈度密不可分，超高层结构设计要进行两种方法以上的抗震核算，并且进行抗震设防专项审查。世界超高层建筑有迪拜哈利法塔，高828m；广州塔，高600m、上海环球金融中心，高492m等。超高层建筑因其超高的高度而具有不同于普通建筑和高层建筑的特点。首先，对于超高层建筑，传统的砖、石等材料已难以适用，其结构类型也更具选择多样性，如钢筋混凝土结构、全钢结构和混合结构等。其次，超高层建筑的垂直交通与消防，由于其超高的高度，较依赖于垂直交通，同时也给消防增加了困难，这就要求超高层建筑的每一层都需设置灵敏的烟雾报警器、自动喷淋和适当的避难所。最后，超高层建筑通过对风作用效应、重力荷载作用效应、施工过程的影响、空间整体工作计算、结构整体内力与位移、抗震性能等设计计算分析，进而提高超高层的抗震性和安全性。

2　超高层建筑结构抗侧刚度设计与控制

为了提高超高层建筑的抗震性，其足够的结构侧向刚度必不可少。足够的结构侧向刚度不仅可以保障建筑物的安全性、抗震性，还可在一定程度上有效抵抗建筑结构构件的不利受力情况及极限承载力下的安全稳定性。设计超高层建筑的结构抗震侧向刚度，应重点从其结构体系和刚度需求进行。

2.1结构设计。结构初步设计根据建筑高度和抗震烈度确定高度级别和防火级别。超高层结构设计首先满足规范要求的高宽比限值和平面凹凸尺寸比值限值，其次控制扭转不规则发生：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，扭转位移比不大于1.4；最大层间位移角不大于规范限值的0.4倍时，扭转位移比不大于1.6；混凝土结构扭转周期比不大于0.9，混合结构及复杂结构扭转周期比大于0.85。最后设计过程中严格控制偏心、楼板不连续、刚度突变、尺寸突变、承载力突变、刚度突变等现象。满足结构设计规范的同时，还应考虑建筑师的设计意图和功能需求，同时满足设备专业设计要求。结构平面的规整程度直接影响着抗震设计的强弱，尽量采用筒体结构，以使得承受倾覆弯矩的结构构件呈现为轴压状态，且其中的竖向构件应最大程度的安置在建筑结构的外侧。各竖向构件和连接构件的受力合理、传力明确，降低剪力滞后效应，杜绝抗震薄弱层产生。

2.2结构侧向刚度控制。超高层建筑的抗震性能设计主要与结构侧向刚度的最大层间位移角和最小剪力限制相关。对于层间位移角限值，其是衡量建筑抗震性的刚度指标之一，地震作用应使得建筑主体结构具有基本的弹性，保证结构的竖向和水平构件的开裂不会过大。同时，因超高层建筑的底部楼层、伸臂加强层等特殊区域的弯曲变形难以起主导作用，所以应采取剪切层间位移或有害层间位移对其变形进行详细的分析与判断。对于最小地震剪力，其最重要的两个影响因素是建筑结构的刚度和质量，当超高层建筑难以达到最小地震剪力要求时，设计人员应该结合具体情况适度的增加设计内力，提高其抗震能力和稳定性，然而，当不能满足最小地震剪力时，还需通过重新设计或调整建筑结构的具体布置或提高刚度来提高建筑物在地震作用下的安全性，而非单纯增高地震力的调整系数。

3　超高层建筑的性能化抗震设计

超高层建筑的抗震性能设计，国内主要根据“三个水准，两个阶段”，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。超高层建筑来说，其建筑工程复杂、高度极高、面积大、成本高，一旦受到地震损害，其损失程度会更高，因此，必须充分考虑各方理论、实际情况和专家意见，兼顾经济、安全原则，定量化的展开超高层建筑的性能化抗震设计。同时，相关文件虽针对超高层建筑结构的性能化设计制定了较具体且系统的指导理念，涉及宏观与微观两个层面。但是，由于结构构件会受到损坏，且损坏与整体形变情况的分析计算都

除了上述注意事项外，针对超高层建筑进行抗震性设计时，还因注重设计多道的抗震防线。多道抗震防线是指一个由一些相对独立的自成抗侧力体系的部分共同组成的抗震结构系统，各部分相互协同、相互配合，一同工作。当遭遇地震时，若第一道防线的抗侧移构件受到损害，其后的第二道和第三道防线的抗侧力构件即会进行内力的重新调整和分布，以抵御余震，保护建筑物。

目前，我国超高层建筑主要依靠内筒和外框的协同工作来达到提供抗侧刚度的目的，包含两种受力状态：首先，建筑的内外结构通过楼板和伸臂析架来协调作用，进而使得外部结构承受了较多的倾覆弯矩和较少的剪力，?而内筒则承受了较大的剪力和一些倾覆弯矩，广州东塔就是此受力方式的典型；其次，以交叉网格筒或巨型支撑框架为代表的建筑外部结构，其十分强大，依靠楼板的面内刚度，外部结构即可同时承受较大的倾覆弯矩和剪力，如广州西塔。需进行专业的弹塑性静力或动力时程计算，而目前我国尚未形成相关的定量化的评价体系，因此，设计人员应在积极参考ATC-40和FEMA273/274等规范。此外，对于弯曲变形为主导的建筑结构，在大震作用后应尤其注重构件承载力的复核。

4　超高层建筑多道设防抗震设计

结语

综上所述，超高层建筑的抗震性能不仅关乎着建筑工程的投资，还威胁着人们的生命财产安全，因此，设计单位和相关工作人员必须树立正确的观念，积极学习并引进国内外的先进理念和设计，不断提升自身的设计水平，为促进超高层建筑的发展奠定基础。

参考文献

[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构设计规程[S].

[2]JCECS 230：2008，高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程[S].

[3]林海，雷强，赵宏，汪洋.超高层建筑结构抗震设计探讨[A].建筑结构抗震技术国际论坛论文集[C]，2013 .

作者简介：刘国荣，男，1986年10月08日出生，毕业于呼伦贝尔学院，土木工程专业，现从事结构设计和土木工程施工工作。

刘国荣
摘要：由于超高层建筑科技含量高、设计与施工过程复杂，所以仍存在一些亟待解决的问题，尤其是超高层建筑的抗震设计。本文论述了超高层建筑的含义及特点，重点从结构抗侧刚度控制、性能化设计及多道设防等方面探讨了超高层建筑的抗震性设计。
关键词：超高层建筑；抗震性；设计；侧向刚度
中图分类号：TU31文献标识码：A