高层房屋抗震设计的研究

莫子洋

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

随着社会经济的发展和需求的提高，现代建筑逐渐向高层建筑和功能多样化发展。我国高层建筑众多，其结构设计备受关注。建筑数量的增加和建筑结构的复杂性使得现代建筑的抗震设计越来越重要。我国地震带多，地震多，大地震多。因此，高层建筑的抗震设计是一个非常重要的课题，为了在高层建筑的设计阶段提出最合理、最有效的抗震设计，应结合实际进行深入研究分析。

1 地震对高层建筑结构破坏的描述

近年来，各地地质事故层出不穷，通过地震资料分析可知，虽然建筑结构在静载荷作用下具有合理的应力，但在地震后会因过大的应力而损坏。建筑物在地震作用下的动力作用是独一无二的，实际表现如下。

1.1 地基

部分地区有较厚的软冲击土层，此时对多层建筑地基的破坏明显增加。由于底土变薄，地基发生不均匀沉降，最终导致上部建筑结构甚至一般路堤的破坏。如果多层建筑位于不方便或危险的地方，破坏地基会破坏房屋的整体结构。只要建筑结构的基本振动相位与地形的自然振动相位相同，共振破坏程度就会增加[1]。

1.2 结构体系

在高层建筑中，主要采用框架或框架剪力墙结构，钢筋混凝土框架结构的内柱容易发生剪切破坏。如果高层建筑采用剪力墙结构，破坏程度会比较小；如果采用下框架结构，会严重损坏下加强筋；采用框架结构时，下层楼板为开放式框架空间，下层砖墙也受到严重破坏，采用钢筋混凝土柱板结构体系时，柱基被穿孔破坏，由于楼板或楼板横向位移大，导致各楼层楼板倒塌。高层建筑结构体系如图1 所示。

图1 高层建筑结构体系

1.3 硬度分布

如果建筑物结构位于矩形平面内，并且在电梯井等抗剪构件中偏心，则地震灾害会因扭转振动而放大，地震引起的扭转振动最终会导致应力发生事故。

1.4 构件形式

在框架施工时，对支撑的损坏程度高于对梁和面板的损坏程度；在钢筋混凝土挡土墙结构中，窗下墙体通常会出现水平或者斜向裂缝；螺旋支架配置在混凝土柱中时，层间位移角较大时，基础混凝土仍完好，钢柱抗力强，但当一层有长柱和短柱时，短柱子损坏比较严重。

1.5 建筑的体型

如果建筑物的平面结构不均匀，例如T 字形、L 字形、Y 字形等，那该结构在地震来临时，它的破坏程度将会比一般规则的结构要大得多。当多层建筑的底盘升高时，裙楼和主楼顶部的占地面积突然减小，往往会因相邻楼层之间的突然质量变化而造成严重破坏。如果多层建筑的抗震连接宽度较小，可能会造成建筑物之间的碰撞损坏；区域质心与地面质心的位移距离越大，地震越强造成的损害也越大[2]。

2 地震等级对高层结构的影响

所谓震级，主要是按照地震的烈度来分类的。我国将地震分为6 个等级。3 级及以下地震为小地震、3～4.5 级为有感地震、4.5～6 级为中强地震、6～7 级为强烈地震、7～8 级称为大地震，8 级以上的强地震称为特大地震。对于结构，建筑物的抗震等级可分为A、B、C、D四类。

一般情况下，我国建筑物的抗震能力为8 度，可以有效抵御6 级地震的冲击。根据有关规定，国家建筑设计部门根据建筑物的分级和紧固标准，以及建筑物的实际高度和结构特点，对多层建筑采用不同的抗震等级。例如，对于钢筋混凝土结构，建筑物的抗震等级可分为一般、重型、重型和极重型四个等级。在多层建筑的抗震设计中，需要根据高度、结构、扣件强度等参数，以及计算结果和技术要求，确定混凝土的抗震等级[3]。

3 建筑物抗震设计的理论分析

随着我国建筑业的快速发展，高层建筑数量不断增加，结构、面积方案和竖向造型的设计难度越来越大，加之地震频发。近年来，我国提出对高层建筑结构的抗震设计进行分析，高层建筑的抗震分析作为抗震工程设计的主要依据起着非常重要的作用。要加强设计工作，通过抗震分析，确保高层建筑的安全、符合抗震设计要求、安全、经济。

3.1 建筑抗震结构

抗震设计规范《建筑结构抗震设计规范》是对各国建筑抗震实践的可靠总结，是建筑抗震设计的规范性文件，它不仅能反映经济指标。每个国家的水平和每个国家的建筑和抗震实践经验水平。建筑的抗震设计不仅要求设计者有高水平的理论，还需要丰富的实践经验和建筑安全的重中之重[2]。基于这样的理解，现代建筑抗震规范中的一些规定被认为是强制性的，设计者可以评估哪些应该按照规则的语言来执行，哪些可以根据客观情况进行调整。

3.2 抗震设计理论

准静态理论是上世纪初发展起来的一种理论，地震的大小可以等于结构自重与抗震系数的乘积；反应谱理论是在1940 年代和1960 年代发展起来的。它基于对动态效应特性的透彻理解和研究分析地震特性后获得的关键结果；1970 年代和1980 年代动力学理论的发展和应用及其对计算机技术和控制技术的有效运用，被用来进一步分析建筑物的线性或非线性运行过程。动力理论也就是地震时程分析理论，它认为地震是一个过程，在这个过程中，选择具有代表性的地震的加速度时程作为地震动力输入，从而在更大程度上简化了建筑物。计算系统的自由度，计算地震每个时刻建筑物的影响，完成抗震工程[3]。抗震设计优化方案如图2所示。

图2 抗震设计优化方案

4 高层建筑抗震设计方法分析

在高层建筑的抗震设计中，必须从降低地震震级和提高抗震能力两个方面考虑，才能在抗震设计和建筑施工中取得良好的效果。高层建筑抗震规划主要有以下方法。

4.1 减少地震期间的能源消耗

在实际设计过程中，需要应用基于位移的结构抗震方法对实际设计方案进行定量分析，以保证结构的变形柔度满足预期的地震力变形要求。在假设结构构件的承载力时，需要确定地震影响下建筑结构的层间位移限值，以及建筑变形之间的确切关系，通过构件和结构位移，确定构件的变化值，构件的静力要求是根据建筑界面的分布规律和变形的大小来确定的。对于高层建筑，应选择坚固的场地进行施工，这样可以有效减少发生地震时的容量，从而减少地震破坏[4]。

4.2 采用高度灵活的设计，采用减震隔离措施

高层建筑的抗震设计通常采用柔性结构，在一定程度上控制了建筑物的结构刚度，体现了结构构件的高柔性和抗震塑性。消耗引起地震的能力，以减少地震对公寓楼造成的结构破坏。如果高层建筑的承载能力低但柔韧性高，那么它在地震中倒塌的可能性就较小。这是因为柔性元件吸收能量，有效防止建筑结构变形，可见柔性结构能有效减少地震的影响[4]。21 世纪以来，人们对建筑的抗震能力给予了更多的关注、研究和成果，如近几年减震器在高抗震结构中得到了广泛的应用。在我国高层建筑使用阻尼器来减少振动，可以显著减少地震对住宅建筑的破坏。抗震阻尼器如图3 所示。

图3 抗震阻尼器

4.3 做好抗震结构设计工作

对于高层建筑的设计者，应特别注意其抗震结构的设计。在我国，150m 以上的建筑物通常采用框架管、管中管和框架支撑体系三种结构体系，这三种体系在其他国家也得到广泛应用。在高层建筑结构抗震设计过程中，可以将传统的固态抗震体系逐步转变为柔性抗震结构，用于设计具有刚柔相济的高层建筑抗震结构。因此，刚度和柔韧性的结合代表了地震的影响，冲击力降低了。抗震结构设计如图4 所示。

图4 抗震结构设计

4.4 做好建材选择

我国钢铁工业规模较大，钢结构加工制造能力在世界上也名列前茅。在规划高层建筑的抗震结构时，应慎重考虑建筑材料的选择。首先，为了分析建筑材料的参数，特别是其抗震参数，不必只考虑材料的承载能力而忽略材料的其他参数，抗震设计必须保证建筑材料满足承载能力要求。

4.5 提高抗震阈值

在高层建筑的结构设计中，可以设置多条抗震防护线，以增加建筑工程的抗震安全性。虽然安装多层抗震防护线会因地震而破坏第一道防护线，但高层建筑结构仍需有第二道、第三道或更多道防护线才能承受地震的力量，从而防止高层建筑的倒塌。在高层建筑的抗震设计中，可以选择多片式或带墙架的挡土墙施工，以达到抗震安全目标。框架式挡土墙结构代表了典型的高层抗震结构，斜墙是其第一道防线，是结构抗侧力的关键构件，从而提高了建筑物的整体承重能力[5]。

4.6 加固处理的设计

为了有效提高高层建筑结构的抗震能力，需要根据建筑结构的具体情况进行一定的加固处理。请注意：①结构有缺陷的结构，可根据具体情况增加所需的加强构件，也可用高抗震构件代替原有构件。②为提高建筑结构的承载能力，增加结构的整体刚度，可增加构件或扩大原有部分，采用框架安装方式进行加固工作。③很多建筑结构的完整性不符合抗震设计标准，通过对结构进行有针对性的调整，分散地震力，可以将结构破坏降到最低。对于与建筑结构无关的多层建筑构件，它们可以抗震，因此需要进行相应的加固。

4.7 结构变形的控制

对于高层建筑的总抗震能力，结构变形对抗震能力有直接影响。当地震发生时，建筑物在横向振动的影响下侧向移动，导致建筑物的结构变形和破坏。因此，在研究建筑结构的性质时要做好工作，然后有针对性地采取加固措施，尽量减少建筑结构在地震影响下的变形。经验表明，中间层的横向偏移角是评估多层建筑损坏程度的一个非常重要的指标，这也是为什么国家对这里有明确规定的原因。必须采取一定的措施来控制结构的横向移动，通常是通过减小柱间距和框架桁架间距，引入抗弯和剪力双侧向力的系统，安装刚性把手、台阶和更换垂直支撑[5]。将部件转换为三维部件，围栏结构涉及抗震，倾斜立面的使用，机身的扭转，双曲线圆柱体的使用，增加房屋的有效宽度以控制横向运动。

5 结语

近年来，建筑业逐渐进入新时代，为保证建筑结构的质量，需要做好其结构设计，使新的建筑结构能够满足施工要求。同时使用技术和美学设计建筑结构时，应根据建筑物的具体情况进行抗震设计，分析地基承载力等参数，进行建筑材料的选择，并进行抗震设计，使建筑结构符合要求。