高层建筑结构抗震设计的要点

黄翰

摘要：随着高层建筑的不断增加，高层建筑的安全性及抗震性问题突显重要。特别是近几年来，我国地震灾害频发，地震对建筑物的破坏及人们生命财产的安全所造成的伤害让人触目惊心。因此建筑结构的抗震性作为首要问题就摆在每个结构工程师面前。

关键词：高层建筑；抗震设计；延性结构；抗震防线；材料

一、高层建筑在地震中的破坏特点

（一）房屋体形方面

1、L 形、T 形、Y 形等不规则平面房屋建筑破坏率显著增高；

2、有大底盘的高层建筑，裙房顶面与主楼相接处面积突然减小的楼层，即相邻楼层质量突变较大时，破坏程度加重；

3、防震缝设置宽度太小导致建筑物间发生碰撞破坏；

4、楼层平面形心与重心偏移越大，震害越严重。

（二）刚度分布方面

1、矩形平面布置的建筑结构，电梯井等抗侧力构件的布置当存在偏心时，因发生扭转振动而使震害加重；

2、采用三角形、L 形等不对称平面的建筑结构，同样在地震作用因发生扭转振动而使震害加重。

（三）地基方面

1、在具有较厚软弱冲积土层场地，高层建筑的破坏率显著增高；

2、地基土液化導致地基不均匀沉降，从而引起上部结构损坏或整体倾斜；

3、建造在不利或危险地段的房屋建筑，因地基破坏导致房屋损坏。

4、当建筑结构的基本周期与场地自振周期相近时，因共振效应破坏程度将加重。

（四）结构体系方面

1、采用“填墙框架”的房屋结构，钢筋混凝土框架结构平面内柱上端易发生剪切破坏，外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切型破坏；

2、采用框架一抗震墙体系的房屋结构，破坏程度较轻；

3、采用“底框结构”体系的房屋，刚度柔弱的底层破坏程度十分严重；采用“填墙框架”体系的房屋，当底层为敞开式框架间未砌砖墙，底层同样遭到严重破坏；

4、采用钢筋混凝土板、柱体系结构的建筑，因楼板冲切或因楼层侧移过大、柱脚破坏，各层楼板坠落重叠在地面。

（五）构件形式方面

1、在框架结构中，通常柱的破坏程度重于梁、板；

2、钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙通常会出现斜向或交叉裂缝；

3、配置螺旋箍筋的混凝土柱，当层间位移角达到较大数值时，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有较大的抵抗能力；

4、钢筋混凝土框架如在同一楼层出现长、短柱并用的情况，短柱破坏较为严重。

二、高层建筑抗震结构设计的基本原则

“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为结构抗震设防的三水准要求的具体含义是：“小震不坏”是第一水准要求，要求建筑结构在多遇地震作用下均满足承载力极限状态和建筑结构的弹性变形不超过规定值；“中震可修”为第二水准要求，要求建筑结构具有一定的变形能力，不会发生不能修复的脆性破坏，结构的延性满足规范的抗震措施和抗震构造措施；“大震不倒”为第三水准，要求建筑结构有足够的变形能力，强烈地震时弹塑性变形不超过规定限值。

第一水准为承载力验算阶段，适用于大多数结构，如规则的结构及一般不规则结构。第二、第三水准为弹塑性变形验算阶段，适用于在强震时容易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构及有特殊要求的结构。结构抗震设计中，“小震不坏”通过其自身的抗震承载力实现，而“大震不倒”主要依靠结构构件的延性来保障。因此要求结构构件必须具有足够的延性。即结构构件屈服后，其本身承载力不降低或基本不降低，并且有足够变形能力，用延性来吸收和耗散地震的能量，以保证建筑结构的安全可靠。结构构件除具有必要的延性外，还应具有足够的承载力、刚度和稳定性。结构构件的关键部位遵循“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件”的设计原则。对可能出现薄弱层的部位，采取措施提高其抗震能力。还有结构构件在设计时应具有多道防线，多道防线对结构在强烈地震下的安全是非常重要的。

三、高层建筑结构抗震设计的要点

（一）减少地震发生时能量的输入

进行抗震设计工作时，建议采用基于位移的结构抗震方法，定量的分析每一种设计方案，一旦地震发生时，确保结构的变形弹性是可以满足其作用力下的变形需求的。应严格的检测建筑构件的整体承载力，并且在地震力的影响下，还应严格的控制高层建筑层间的位移限值，在计算建筑构件的变形值时，应充分的考虑到建筑结构的位置和建筑构件的变形之间的关系，充分的分析建筑界面的的应力大小和分布，从而得到其构造的需求。高层建筑的施工过程应选择在加固的场地上，这样当地震来临时，就能降低其能量的输入，从而有效的保证高层建筑的安全性。

（二）采用延性结构，并且推广隔震和消震的措施

现阶段，我们在对高层建筑结构进行抗震设计工作时，通常都是要采用延性结构的，所谓的延性结构就是指能够适当调整建筑结构的刚度，这样当地震灾害发生时，高层建筑的结构就会进入到具有较大延性的塑性状态，地震发生时的能量就得到了消耗，降低了地震反应，从而有效的保护了高层建筑的结构。另外，随着我国科学技术的不断进步，现阶段在高层建筑结构的抗震设计工作中，阻尼器的应用也取得了较高的抗震效果，阻尼器可以充分的吸收地震的能量，以减弱地震对建筑结构的影响。

（三）尽可能的设计多道抗震防线

为尽可能的提升高层建筑结构对地震的抵抗力，就应设置多条地震防线。在高层建筑结构的抗震设计过程中，如果能够顺利的设置了多道地震抵抗防线，那

么在第一道防线受到了破坏后，第二道以及第三道防线都可以有效的抵消地震的作用力，从而有效的保护建筑结构。在为高层建筑结构选择防震体系时，通常建议选择具有壁式框架和多个肢节的框架剪力墙结构。

（四）对建筑材料的选择加大重视

在高层建筑抗震能力材料也有着非常大的影响因素，材料的好与坏和建筑抗震能力的高和低存在着正比的关系，所以材料的选择在建筑施工过程中有着非常重要的地位。在对材料进行选择的时候，首先应该从材料的各种抗震参数进行合理有效的分析，进一步从整体上了解建筑物整体抗震的能力。

另一个方面，对材料的价格也应该做相关市场调查，这样才能在选择好材料的基础上，使工程造价的成本降到最低。

（五）结构规则性

高层建筑设计应该根据抗震概念设计的要求明确规定建筑形体的规则性，重视建筑平面、立面以及竖向剖面的规则性对建筑物抗震性能的影响。因为规则的平面和立面容易从其表面的反应观测出地震来临时所发生的现象，进而根据具体的情况采取相应的抗震措施，以及对部分构件进行细致的处理。建筑结构的规则性不仅指的是建筑物平面的尺寸满足规范要求，同时建筑平面的承载力、刚度、稳定性等性能也应该根据具体的设计合乎规范。一般对于建筑物的平面要求其对称、造型简单，承载力、刚度等性能均匀分布，并且立面要具备一定的扭转力。如此在遭遇地震时就可以尽量降低整体结构扭转的影响了。

结语

综上，高层建筑结构的抗震设计方法和技术是不断变化和进步的，我们需要在具体的实践中对高层建筑所处的地质和环境进行详细的分析和研究，选用适合的抗震结构，注重建筑结构材料的选择，减小地震的作用力，增强地震的抵抗力，从而达到高层建筑抗震的目的。

参考文献

[1]肖湘，宋水兰. 高层建筑结构抗震设计方法分析[J]. 中华民居（下旬刊）. 2013（05）

[2]杨磊. 论高层建筑结构抗震的优化设计[J]. 建筑设计管理. 2010（03）