探析高层建筑抗震结构设计

金三 张国明 王朱翔

摘要：地震是一种地球地壳自然的运动，绝大多数的地震发生在地球深层对于人类来说影响很小，但如果发生在底层表面所释放出巨大的能量将造成巨大的破坏。

关键词： 高层结构，地震荷载，概念设计

我国是地震高发地区，如2008 年的汶川大地震和2010 年玉树地震都造成大量的房屋倒塌，不仅使经济遭到损失而且人员也有很多伤亡，同时也看到很多房屋尤其是高层建筑在巨大的灾难面前经受住了严峻的考验，这说明只要严格按照抗震设计规范来建造的建筑是能保障人民的生命财产安全的。然而高层建筑在地震时的损坏还是超出了我们的预期，因此高层建筑抗震设计是建筑物安全考虑的重要问题。现在我们抗震规范要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三个水平的设防目标，以上是建筑设计抗震最低要求，而我们在进行高层建筑结构抗震设计中，要结合地区烈度及等级来考虑高层建筑抗震要求，其中下面几个方面是优先考虑的。

1 建筑抗震的理论分析

拟静力理论。拟静力理论是20世纪10～40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数（地震系数）。

反应谱理论。反应谱理论是在加世纪40～60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。

动力理论。动力理论是20世纪70-80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各種受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

2 高层建筑抗震概念设计

目前我们对地震还知之甚少，建筑结构抗震设计理论目前还是以试验与简化后的理论结合来制定的，还有不少不足和待完善的地方，所以在结构抗震设计时常常通过软件数值计算，但只能从局部来解决。而结构抗震概念设计的目标是建筑物的整体结构在地震时能够发挥耗散地震能量的作用，通过结构合理布局，选择延性好，耗能强的结构体系来达到抗震设防目标。就是我们常说的强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件，这就要求我们考虑以下几个方面： 1） 要求采用受力明确，传力简单的结构体系； 2） 采取相应的抗震构造措施如加构造柱，圈梁，加强层，转化层等来达到抗震要求； 3） 选取合适强度同时有良好延性的建筑材料以及正确施工技术实现对高层建筑结构体系抗震性能的合理控制。

3 场地与基础

地震造成建筑的破坏首先考虑场地与基础，因场地造成的工程的震害是很难恢复以及处理的，对于场地选择尽可能避开断裂带和不利地段（ 如软弱土，液化土，高耸孤立的山丘，半挖半填地基，断层破碎带等） ，如避免不了就要对场地地基进行加固处理（ 如换土垫层法，重锤夯实法，强夯法，振动水冲法，深层挤密法，沙井预压法等） ，所以尽可能挑选对建筑抗震有利的地段（ 如开阔平坦地带的坚硬场地或者密实均匀中硬场地） ，不仅有利于建筑抗震性能而且经济合理。对高层建筑抗震地基优先选择浅基础，并且同一结构体系不宜设在不同性质的地基上，同一建筑不宜采取两种以上的不同基础，同时要考虑建筑结构上部体系与地基基础相互作用关系。

4 选择良好的抗震结构体系

1） 高层建筑结构抗震体系选择不同于其他建筑布局，除了简单合理的结构布置，考虑其规则与对称，避免出现扭转与失衡情况，因此竖向结构布置应有规则的均匀变化，从上而下结构刚度逐渐变小，如果由于建筑要求而发生平面，刚度以及承载力局部的突变变为不规则体系时，我们要根据地震规范与高规以下几个方面来判断其是否规则： a. 扭转不规则； b. 抗扭刚度弱； c. 层刚度小； d. 平面不规则； e. 楼板不规则； f. 竖向刚度不规则，满足其中一项为不规则，满足其中三项为特别不规则，对于不规则结构要采取抗震措施来加强薄弱层的抗震性能，要进行超限高层建筑高层抗震设防的专项审查，此外对于多项指标超过抗震规范3. 4. 4 条为严重不规则建筑，应该与建筑设计人员沟通最好改变设计方案。2） 多道抗震设防。控制同一结构各构件或部件在地震中损坏或形成塑性铰的顺序而成的多道防御系统，使整个结构坏而不倒。为了避免因局部失效或者薄弱层而引起结构的破坏，要求结构体系由延性好的不同结构体系形成刚性的超静定结构来共同工作以抵抗地震破坏。要求结构体系良好的整体性和变形能力，当第一道抗震防线遭受超过它设防要求而破坏，第二道防线作为下一道屏障对结构体系进行保护。如框架剪力墙体系既有框架又有抗震墙，抗震墙作为第一道防线，框架作为第二道防线。但如果抗震墙很少，结构就不是多道防线的结构体系。从以上可以看出房屋的倒塌由于抗侧力构件不能承受荷载作用力，当采用多道抗震设防时，可以适当降低第一道防线的控制能力，提高第二道防线抗震能力。3） 抗震薄弱层。薄弱层也是建筑抗震设计需重点关注的地方，根据材料的规格尺寸，刚度，变形能力，使用功能和建筑的美学的要求，致使建筑结构体系会突破常规要求，出现竖向和平面变化比较大的结构体系而成为相对的抗震薄弱环节，在罕见地震荷载作用下率先出现屈服，而发生弹塑性非线性变形，造成建筑的破坏，这里要强调三点： a. 薄弱层只是在强震情况下考虑的结构弹塑性变形问题。b. 要对结构从整体上进行受力分析，而避免只是考虑部分薄弱层受力与变形。c. 由于结构是不是薄弱层只是一个相对概念，因此常常因为设计施工或者材料的变化导致薄弱层的改变，在此控制薄弱层位置发生转移而又能达到它的变形能力，这是控制结构抗震性能最关键的。

5 非结构构件抗震设计

除承重结构以外的固定构件都是非承重结构，虽然非承重结构在建筑中只是附件非关键结构，但在屡次的震害过程中非结构造成的人员与财产损害已屡见不鲜了。非结构构件抗震要求以下几点： 1） 先分清哪些是非结构构件，如屋顶的装饰属于结构构件与否并不好界定，这种情况一般按结构构件处理。2） 非结构体系对结构体系影响，对于设备作用在其结构主体上的非结构构件应计算设备的重力，与结构柔性连接的非结构可以不计其刚度，但当有专门构造措施可计入抗震承载力，同时要考虑非结构上作用的力对建筑结构的作用，并且相互的联系要满足锚固要求。3） 非构件自身的地震力作用在其重心上，对于支撑在楼层和防震缝的两侧的非结构构件，要计入地震时支撑点之间相对的位移产生的作用效应，非构件在位移方向的刚度要根据其端部实际联系分别根据不同的连接方式采用不同的力学模型。

6 结语

高层建筑设计前的地质勘察是建筑是否成功的前提，接着根据地勘报告设计建筑方案是关键一步，建筑物设计是否有良好的抗震效果主要在建筑方案体现，接着是施工图设计，它是把建筑思想变为现实最重要的一步，也是高层建筑结构设计抗震性优劣的十分重要的具体体现，设计的基本要求要保证在“小震不坏，中震可修，大震不倒”基本目标，设计高层建筑物时，要注意建筑物的结构布置问题，尽量保证质心与刚心重合、重心与质心重合、刚心与重心重合的三心合一。这样能提高抗震效果，增强抵御地震的抗破坏性。总之提高高层建筑抗震性能要根据建筑的等级来考虑安全指数。从一开始地区规划，地质勘查以及后来的建筑结构设计，建造过程以及施工工艺等的选择这些都是控制高层建筑抗震效果的关键原因。

参考文献：

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