高层建筑钢结构抗震设计原则及优化研究

李秋林

（贵州省凤冈县住房和城乡建设局，贵州 遵义 564200）

0 引言

随着施工高度的不断提高，高层建筑面临着新的挑战。其中，消防安全、抗震性能和抗风能力是目前需要优先考虑的问题之一。许多地区位于地震带和地震影响最为严重的地区[1]。因此，长期以来，提高建筑结构的地震活动性一直是一个非常有价值的问题。特别是在新时代，由于施工的复杂性和结构的复杂性不断增加，对抗震性能的要求也越来越高。因此，高层结构的抗震设计显得尤为重要，它必须减少地震对建筑物的影响，确保人员和财产的安全。此外，抗震设计还应该兼顾建筑的美观性、安全性和实用性，以减少损失和风险。

近年来，许多中国科学家也在这方面进行了广泛的研究。如俞兆藩等人讨论了城市更新中既有居住建筑抗震加固与节能改造研究[2]，提出了比较完整的基于性能的地震设计原则和方法。考虑到目前基于性能的抗震设计和分析方法尚未完全执行的情况，崔明哲等人提出了一种基于《建筑抗震韧性评价标准》的既有高层剪力墙建筑抗震韧性评价方法[3]，该方法不仅对某既有高层剪力墙建筑进行了抗震韧性评估，还对建筑抗震韧性评估的影响因素，包括评估过程考虑的不确定范围、结构构件易损性组的归并方式等进行了分析。本文结合上述理论研究，对高层建筑结构的抗震设计进行了详细分析，特别是抗震结构的优化。通过本文的研究，可以全面、深入地了解当前高层结构抗震设计存在的问题，制定优化措施和方案，提高高层结构抗震设计的水平，希望可以通过本次研究，通过优化高层建筑结构的抗震设计，为相关研究提供有力的参考依据。

1 高层建筑钢结构抗震设计原则及优化设计

1.1 高层建筑钢结构抗震原则及细化研究

高层建筑结构抗震设计要遵循的三项原则是基于保护人民生命安全和财产安全的考虑。

首先，建筑物在轻度地震中不能发生损坏。轻度地震是指地震震级较低，振动能量相对较小的地震活动。根据抗震设计原则，建筑物必须能够在轻度地震中保持稳定，不发生结构破坏或损伤。这样可以确保建筑物在日常地震活动中提供安全和可靠的使用环境[4]。

其次，建筑物在中度地震中发生损坏后应能够修复。中度地震是指震级较高，并且具有一定破坏性的地震活动。抗震设计要求建筑物在中度地震中承受一定程度的结构损坏，但仍然能够保持整体稳定性。一旦发生损坏，应该能够进行及时有效的修复和维护，以恢复建筑物的完整性和使用功能。

最后，建筑物在重度地震中不能坍塌。重度地震是指震级较高，并具有破坏性的地震活动。根据抗震设计原则，高层建筑必须能够经受住重度地震的考验，保持稳定，并且不发生结构坍塌。这是为了确保建筑物能在剧烈地震中提供最大程度的保护，减少人员伤亡和财产损失的风险[5]。

这三项原则是高层建筑抗震设计的基本要求。根据这些原则，工程师们会使用一系列的设计方法和技术来确保建筑物在地震中的安全性。为了提高结构的强度和深度，提高结构的综合应用效果，将抗震设计目标作为工作方向，结合高层建筑结构的设计原则进行细化设计[6]。在高层建筑抗震结构施工时应遵循以下原则：

（1）在没有转换层的情况下，高层建筑中配置垂直构件的连接结构优化的选择是在垂直荷载期间将垂直构件的轴向压缩应用于10个垂直构件的几何中心，从而减小偏心距离，确保高层建筑垂直承重能力足够，重度地震建筑物不能坍塌。

（2）在高层建筑的钢结构中，为满足稳定性的要求，要确保抗侧向力的结构体系尽可能连续。一般的抗侧向力结构包括框架、侧墙、支撑等。如果根据设计要求在垂直方向上发生变化以改善结构应力条件，则有必要确保变化的统一性和连续性，以确保发生中度地震后主梁结构没有损坏，损坏能够修复。

（3）在选择侧阻力构件时，结构应确保不会出现脆性破坏现象。为了量化结构的双重强度，可以使用结构垂直的双重强度因子，确保轻度地震不能发生损坏，结构的公式计算如下：

式中，∆up为结构脊柱，∆uy是结构脊柱弹塑性运动的阈值。根据工作的经验，抗震结构的基本值必须在设计中达到至少3～4，才能确保高层建筑结构抗震设计三项原则的实现。

在地震情况下，结构底部的应力应遵循“大震不倒”的原则。因此，在抗震设计中，柱底部和框架是最复杂、最集中且最不容易损坏的部分。为了符合“小震不坏”的原则，在抗震设计中应尽量减轻顶端压力，地震应该发生在节点的末端，而不是列节点。必须避免柱节点失效导致结构整体倒塌[7]。每个墙段的墙体结构应高于2m。在框架的开发过程中，应确保具备多种抗震性能，以符合“中震可修”的原则。除了使用侧阻力构件外，侧墙还应作为初始抗震加固线。因此，应实时监测墙体数量，关注结构的最低点，并要求该值至少达到底部总地震倾覆力矩的1/2[8]。此外，需避免隔音墙之间的间隔过大，否则地板平面易出现实质性变化。具体剪力墙间距取值可参考表1。根据《抗震建筑规范（解释）》（GB50011-201）的要求，该表显示了屋顶长度和宽度的比率以及每个数据组的最低值，以将地震造成的经济损失降至最低，并确保人们的生命安全。

表1 剪力墙间距取值表

如表1所示，其施工主要部件需要绝对符合设计原则，确保结构框架的延伸强度，确保部件的受压能力大于抗弯曲承载力，避免虚弱性破坏。为了提高变形能力，应采取适当措施，用特定的结构对其进行加固。最后，几条抗震加固线在构件的设计和施工中很重要。该项目不仅提高了建筑结构在高层地震情况下的稳定性，而且减少了对建筑物的地震破坏，显著提高了建筑物本身的安全性。

1.2 影响钢结构建筑的抗震结构设计因素分析

钢结构的整体设计稳定性是一个重要方面，在掌握稳定性影响因素的基础上，是取得良好设计效果的重要前提。几何非线性缺陷对钢结构在加载过程中的旋转操作和显著运动引起的非线性缺陷有关。在处理比较问题时，应考虑几何非线性变化的影响[9]。对于有关非线性缺陷的计算，变形的小几何方程不适用。在非线性材料的研究过程中，对传递指标进行了客观的分析和研究。应计算和监测旋转过程中的传递指数和具体变形，计算时还应注意非线性方程的一般结构和表达方法。该方法可明显避免了几何非线性元素不稳定。在钢结构设计的初始阶段，缺陷主要被识别为结构缺陷。如果结构发生变形或其他缺陷，将影响结构的整体承载力指标和位置。这是直接影响钢结构稳定性的一个重要指标。当变形产生困难时，钢结构的偏心度值和初始钢位置对钢结构的稳定性有直接的负面影响。此外，通过对钢结构设计项目中某些力学参数的实际观测和验证，通过检测力学参数，进一步阐明结构缺陷的原因。对于钢结构而言，残余应力结构直接影响结构的稳定性，造成结构和变形问题。具体的问题处理过程必须充分了解和监测同步后比较条件引起的载荷变化，而这种应力增加对比较水平的影响主要集中在强度的影响上。当比较强度发生变化时，变形问题变得显著，结构刚度也在降低。如果可预见的荷载未完成，则处于初始状态，导致荷载力直接降低，并最终影响建筑结构的稳定性。此外，当弯曲状态发生后，直接影响钢结构的稳定性。有必要将适当的数据结合起来，使材料的非线性状态和结构的几何非线性状态同步。结构项目工作的实施与额外的水平运动力直接相关。有必要充分了解钢结构的特点和相关的力学条件，在此基础上，确定建筑层数和抗震尺寸可能发生的变化，以及对普通钢基础结构的影响。综上所述，依据影响钢结构建筑的抗震结构设计因素，需要从以下几方面进行改进。

（1）在高层建筑抗震结构的开发中，对建筑平面布置进行合理设计。

（2）选择最可靠的抗震设计体系，其通常为基础墙和剪力墙结构、管道结构和剪力墙结构。

（3）了解清楚不稳定层的具体情况，并且将其能发生变形的空间扩展到最大程度。

1.3 高层建筑结构抗震设计的优化措施

在具有特殊抗震性能的建筑设计中，有必要从1.2节中提出的三个角度出发：鉴于抗震概念设计对结构抗震功能的重大影响，新规定在相关规则中强调了施工和结构概念设计的重要性，以特别关注高层建筑项目中抗震概念设计中的建筑师和结构。为了避免不符合组件的弱点，组件的能力最好高于组件的能力。“强水平的弱构件”是指为了不让节点比构件更早受损，参与者的“强压缩和弱压力”部分是指防止压缩压力关闭混凝土，钢筋在该区域的压缩能力应低于混凝土在该区域压缩的压缩能力。对其可以从以下几方面进行考虑：建筑结构的平面布置、建筑结构的体系选择及结构薄弱层。不同地质条件引起的地震所造成的破坏差异很大。施工前，应密切监测基本情况，确保施工现场提高建筑设备的抗震性能。建议在抗震性较差的地区避免使用建筑结构。如果不适用，应采取适当措施改善地震活动。设计方应根据建筑工地的地质特征和对地面的破坏强度进行分类，并应根据影响钢结构建筑抗震因素采取适当的抗震措施。建筑问题是结构设计中需要解决的重要问题。应重视系统的科学性问题，优先通过一批抗震性强、重复性好、能耗指标强、推进建设的保护线系统。为防止该结构的抗震墙结构采用板柱、基础结构，特别是基础结构选用单一宽度，具有特别低的抗震活性。

结构的简单性是指尽可能简单和对称的结构。简单的结构意味着该结构可以以直接而清晰的方式将力转化为地震力。简单的结构能够便于理解模型的计算、内力和位移分析，以及结构中薄弱环节的评估，从而有效计算出结构的抗震性能。可从以下几点进行高层建筑抗震结构的优化设计，以满足建筑要求。

（1）在水平地震作用下，结构的施工是必不可少的，以确保高层建筑在任何方向都能承受损失。整体设计应保证在平面的两个主轴之间具有足够的强度和抗震性，并确保结构的地震反应能够反映其强度和可变性。在选择结构强度时，需要同时考虑减少地震破坏和控制结构变形。过度变形可能导致二次重力效应，从而导致结构失效和失稳。

（2）对于高层建筑结构而言，建筑设计对高层建筑的整体完整性起着重要作用。地板和水平部分类似于这样一个事实，即需要将惯性力集中在任何长度阻力的结构侧力上，还需要这些物体共同保持地面。特别是在侧阻力构件的水平变形特性不同步的结构中，应使用建筑物来实现侧阻力和结构构件的协同作用。

（3）抗震建筑结构体系应审查建筑的尺寸、位置、基础、材料和结构的确定等因素，并在充分考虑技术、经济技术和经济条件的情况下进行确定。首先，应建立一些抗震保护线，以防止局部结构和成分损坏导致高层结构的地震活动保护减少。有关强度的分布可以防止薄弱区域振动，这些薄弱区域可能导致局部坍塌、突变型和过度应力集中。

（4）底层抗震设计是一种新的、重要的建筑结构抗震设计。其特点是地震设计从宏观质量目标向一定的定量量化目标过渡。经过论证，还可以在实验中使用现行标准和规范中未规定的新结构系统、技术和材料，以便于针对不同的抗震性、当地条件和建筑的重要性采用不同的操作目标和抗震措施。高层建筑结构抗震设计的优化流程如图1所示。

图1 高层建筑结构抗震设计的优化流程

根据提取的影响钢结构建筑的抗震结构设计因素，采用高层建筑钢结构抗震设计原则，明确结构的目标是规范中规定的“个性化”目标。在上述目标指标的基础上，不仅要考虑规范中规定的方法、合适的结构体系、施工材料、施工方法等。为了满足使用者和设计者不同需求，明确给出结构的实际性能水平，从而实现高层建筑钢结构抗震设计原则及优化。

2 实验论证

为说明本文方法的优势，建立三个方案进行比较分析，并对每一种方法的层间位移角变化作对比，实验结果如下：

选择对住宅建筑特定楼层的某些基础结构进行加固。该层的计算高度为4.5m，而其他层的设置高度为3.0m，地震烈度为8度。设计抗震组为第二组，c35比强度为20～30层，柱为600mm×600mm，主要为轻型250mm×550mm，次要为200mm×500mm，板厚120mm，混凝土强度为c30层，采用三种方法，对20层以上的建筑进行了随机选择，对层间位移角度数变化进行了实验分析。层间位移角度在7度防震区时转换层上下节后层位移角度宜不大于1.7，以此作为判定标准，实验结果如表2所示。

表2 三种方法结果对比

由表2可知，采用本文方法层间位移角变化最小，平均比传统方法1和传统方法2角度变化分别减少1.32°和2.54°。实验结果表明，采用本文方法能够提高抗震性能，安全系数更高。

3 结论

高层建筑钢结构抗震设计原则及优化研究关系到人的生命财产安全。因此，考虑到建筑数量的逐渐增加，应从钢结构抗震设计原则、影响钢结构建筑的抗震结构设计因素和高层建筑结构抗震设计的优化措施3个方面进行钢结构抗震设计。通过对比实验可知本文方法可最终提高高层建筑结构的抗震性能，避免高层建筑退化，地震灾害造成的危害人类生命安全。