高层建筑抗震结构的若干思考

高层建筑抗震结构的若干思考
1、高层建筑的抗震设计理念
我国建筑抗震规范对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求，“三水准”即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构处于弹性变形阶段，建筑物处于正常使用状态。

建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。

因此，要求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算，要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。

当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能出现一定程度的破坏。

但经一般修理或不需修理仍可继续使用。

因此，要求结构具有相当的延性能力（变形能力）不发生不可修复的脆性破坏。

当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，结构虽然破坏较重，但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。

不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏，从而保障了人员的安全。

因此，要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。

2、高层建筑抗震结构设计的基本原则
2.1结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能
（1）结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱（墙）”的原则
（2）对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力;（3）承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

2.2尽可能设置多道抗震防线
由于每次强震之后都会伴随多次余震，因此在建筑物的抗震设计过程中若只有一道设防，则其在首次被破坏后而余震来临时其结构将因损伤积累而倒塌。

因此，建筑物的抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，在地震发生时由具有较好延性的结构构件协同工作来抵挡地震作用。

当遭遇第二设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能出现一定程度的破坏，但经一般修理或不需修理仍可继续使用。

因此，要求结构具有相当的延性能力不发生不可修复的脆性破坏。

当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防度的罕遇地震时，结构虽然破坏较重，但结构非弹性
变形离结构的倒塌尚有一段距离。

不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏，从而保证了人员的安全。

3、高层建筑结构抗震设计的基本方法
3.1进行合理的基础设计
同一结构单元不宜设置在性质不同的地基土上，不宜采用不同的基础形式。

地基有软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜采取措施加强基础的整体性和刚性，对于部分地区的灌淤土和湿陷性黄土更应采用合理的基础形式和有效的地基加固措施，使其具有良好的承载能力和稳定性。

对于底层框架结构这种结构形式，由于其良好的实用性，目前使用还比较广泛，但这种结构上部刚度比较大，而下部刚度又比较小，上下性质截然不同，变形能力相差悬殊，所以在抗震区这种结构形式应尽量少采用。

或采用时应加强底层楼板的水平刚度或者采取其它有效措施以尽量协调上下不同性质结构的变形能力。

3.2减少地震能量输入
积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。

除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比;根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值;并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。

对于高层建筑，选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。

另外，错开地震动卓越周期，可防止共振破坏。

3.3高层建筑结构应具有预定必要的刚度
结构的刚度太大或太小，在结构计算结果中表现出周期的偏小或偏大，相应的主体结构的位移也偏小或偏大。

此时可采用调整与结构刚度有关的参数，如构件的截面尺寸、混凝土的强度等级、剪力墙结构开洞大小等情况;或调整计算参数的设置，如调整梁的刚度放大系数，来满足规范合理的范围。

正常使用条件下，限制建筑结构层间位移的主要目的为：
第一，保证主要结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构要避免混凝土墙或柱出现裂缝;将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度限制在规范允许范围之内。

第二，保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损坏。

3.4推广使用隔震和消能减震设计
目前我国和世界各国普遍采用的是传统抗震结构体系即“延性结构体系”，也就是适当控制结构物的刚度，但容许结构构件（如梁、柱、墙、节点等）在地震时进入非弹性状态，并且具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。

这种体系，在很多情况下是有效的，但也存在很多局限性。

随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使“延性结构体系”的应用日益受到限制，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求，而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。

3.5谨慎选用结构材料
在高层建筑的方案设计阶段，结构材料选用也很重要。

可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，改变了过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性，而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。

从抗震角度来说，结构体系的抗震等级，其实质就是在宏观上控制不同结构的廷性要求。

这要求我们应根据建设工程的各方面条件，选用符合抗震要求又经济实用的结构类别。

3.6高层建筑结构应设置多道抗震防线
这样设置的作用就在于，当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续地震的冲击，使建筑物免于倒塌。

首先，一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。

例如框架一剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成，双肢或多肢剪力墙体系组成。

其次，强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。

抗震结构体系应具备最大量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。

最后，在抗震设计中某一部分结构设计超強，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。

4、结语
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]李忠献.高层建筑结构及其设计理论[M].北京：科学出版社，2012.。