高层建筑结构抗震设计的常见问题分析

高层建筑结构抗震设计的常见问题分析
作者：张启波
来源：《城市建设理论研究》2013年第17期
摘要：由于我国处于地震多发区，高层建筑抗震设计是工程设计面临的迫切任务。

本文对高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容进行了简要介绍，主要分析了我国高层建筑抗震设计中常见问题以及解决方法，最后结合工程实践介绍了抗震分析与设计的新趋势。

以供建筑结构抗震设计人员参考。

关键词: 高层建筑结构；抗震设计; 问题；趋势
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
前言
高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的。

高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化,而且在高度上也大幅度增长。

进入上世纪90年代后,结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的日程。

特别是我国处于地震多发区,高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务。

作为工程抗震设计的依据,高层建筑抗震分析处于非常重要的地位。

一、高层建筑结构的特点
高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系；水平荷载使结构产生弯矩。

从受力特性看，垂直荷载方向不变，随建筑物的增高仅引起量的增加；而水平荷载可来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。

从侧移特性看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载高层混凝土建筑抗震结构设计探析陈天华机械工业第四设计研究院建筑设计一院 471039时，侧移与高度成四次方变化。

由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，水平荷载是结构设计的控制因素，结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外，同时要求结构要有足够的刚度，使随着高随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。

二、高层的结构体系选择
高层建筑结构应根据建筑使用功能、房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、地基情况、结构材料和施工技术等因素，综合分析比较，选择适宜的结构体系。

高层建筑钢筋混凝土结构可采用框架、剪力墙、框架- 剪力墙、筒体和板柱-剪力墙结构体系。

框架结构可为建筑提供灵活布置的室内空间。

当建筑物层数较少时，水平荷载对结构的影响较小，采用框架结构体系比较合理；框架结构属于以剪切变形为主的柔性结构，使用高度受到限制，主要用于非抗震设计和层数相对较少的建筑中。

剪力墙结构中，剪力墙沿横向、纵向正交布置或多轴线斜交布置，由钢筋砼墙体承受全部的水平荷载和竖向荷载，属于以弯曲变形为主的刚性结构。

该种结构的抗侧力刚度大，在水平力作用下侧向变形小，空间整体性好。

但剪力墙结构自重大，建筑平面布置局限性大，难以满足建筑内部大空间的要求。

因此更多地用于墙体布置较多，房间面积要求不太大的建筑物中，既减少了非承重隔墙的数量，也可使室内无外露梁柱，达到整体美观。

框架——剪力墙结构是指在框架结构中的适当部位增设一些剪力墙，是刚柔相结合的结构体系，能提供建筑大开间的使用空间，是由若干道单片剪力墙与框架组成。

在这种结构体系中，框架和剪力墙共同承担水平力，但由于两者刚度相差很大，变形形状也不相同，必须通过各层楼板使其变形一致，达到框架和剪力墙的协同工作。

从受力特点看，剪力墙是以弯曲变形为主，框架是以剪切变形为主，由于变位协调，在顶部框架协助剪力墙抗震，在底部剪力墙协助框架抗震，其抗震性能由于较好地发挥了各自的优点而大为提高。

因此可以适用于各种不同高度建筑物的要求而被广泛采用。

板柱- 剪力墙结构，由于在板柱框架体系中加入了剪力墙或井筒，主要由剪力墙构件承受侧向力，侧向刚度也有很大的提高。

这种结构目前在7、8 度抗震设计的高层建筑中有较多的应用，但其适用高度宜低于一般框架- 剪力墙结构。

三、高层结构的布置
在高层一个独立的结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则、刚度和承载力分布均匀。

竖向体型宜规则均匀，避免有过大的外挑和内收。

结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。

并应符合下列要求：
1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；
2 ）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构体系丧失承受重力、风荷载和地震作用的能力；
3 ）对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施；
4 ）结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效益具有多道抗震设防。

5）宜有多道抗震防线。

四、现行规范抗震分析与设计的内容
我国现行抗震规范要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下, 按反应谱理论计算地震作用, 用弹性方法计算内力及位移, 并用极限状态方法设计构件。

对于重要建筑或有特殊要求时, 要用时程分析法补充计算, 并进行罕遇地震作用下( 大震) 的变形验算。

这种先用多遇地震作用进行结构设计, 再校核罕遇地震作用下结构弹塑性变形的方法, 即二阶段设计方法。

同时规范还规定了结构在罕遇
地震作用下的弹塑性变形的结构弹塑性分析方法。

结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析和弹塑性静力分析两大类。

弹塑性动力分析, 采用杆模型和层模型等简化的结构计算模型。

杆模型计算的优点是可以得到杆件状态随时间的变化过程, 也可得到各楼层的反应。

但耗时多、费用昂贵、结果数据量大且分析比较繁冗, 在国外也极少采用。

层模型计算能得到各楼层的反应, 例如层剪力、楼层侧移和层间转角、层间位移延性比等, 它主要是从宏观上即层间变形检验结构在大震作用下的安全性。

层模型计算的数据相对较少, 适宜于进行宏观检验, 也便于计算多条地震波作用。

但无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时程分析, 计算结果受地震波的影响较大且不存在唯一答案, 有时难以判断。

五、我国高层建筑抗震设计中常见问题及其对策
（一）高度问题
按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3- 2010）规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。

这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。

可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。

对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验。

在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。

因为随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

（二）较低的抗震设防烈度
现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”，并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。

此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。

我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内（50 年）超越概率为10%的地震烈度。

我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等
一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。

随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计。