高层建筑抗震结构设计

浅谈高层建筑抗震结构设计

摘要：对于一个高层结构的设计，遇到的问题可能错综复杂，只能具体问题具体分析。工程实践表明在高层结构的设计过程中，设计人员只有抗震概念清晰，构造措施得当，应用合适的结构分析软件三者有机结合才能取得比较理想的结果，在这个过程中抗震构造重于结构计算。本文对建筑抗震进行必要的理论分析，从而探索高层建筑的设计理念、方法，采取必要的抗震措施，正确选择合理的结构体系，选择合理的结构类型，选择合理的结构布置，提高结构的抗震性能。

关键词：高层建筑；抗震；结构设计；框架结构；剪力墙结构

引言

近50年来，我国抗震防灾工作是在和地震灾害的斗争中，不断探索，不断开拓，不断前进的。20世纪以来历次强震反复证明，经过抗震设防的房屋，抗震加固的建（构）筑物都经受住了严峻考验，有抗震设防与无设防，有抗震加固与无加固的大不一样。充分显示了设防加固对保证建筑物地震安全性的重要作用。

一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，各种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。

二正确选择合理的结构体系

我国《建筑抗震规范》（gb50011-2010）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”。

由于高层建筑中抗水平力成为设计的主要矛盾，因此采用何种抗侧力结构是结构设计的关键性问题。根据抗侧力结构的不同，钢筋砼结构主要可分为框架结构、框架——剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构等几种结构体系，这些体系的受力特点、抵抗水平力的能力，特别是抗震性能等有所不同，因此具有不同的适用范围。

框架结构由梁、柱构件通过节点连接构成，框架梁和柱既承受垂

直荷载，又承受水平荷载，并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，当层数较多时，由于框架结构在水平力的作用下，内力分布很不均匀，并存在着层间屈服强度特别弱的楼层，且由于框架结构的构件截面惯性矩相对较小，导致侧向刚度较小，侧向变形较大，在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，发生弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，震害一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更容易发生破坏，除剪跨比较小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏。因此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比框架结构大的多，在水平力作用下侧向变形小，空间整体性好。剪力墙结构的工作状态可分为单肢墙、小开口墙、联肢墙，单肢墙和小开口墙的截面内力完全或接近于按材料力学公式成直线分布规律，其平衡地震力矩只靠截面内力偶负担。联肢墙则通过连系梁使许多墙肢共同工作，地震力矩可由多个墙肢的截面内力矩与连梁对墙肢的约束力矩共同负担，设计原则是梁先屈服，然后墙肢弯曲破坏丧失承载内力。当连梁钢筋屈服并且有延性时，即可吸收大量地震能量，又能继续传递，弯矩和剪力，对墙肢有一定的约束作用。由于剪力墙结构自重大，建

筑平面布置局限性大，难以满足建筑内部大空间的要求。因此其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的的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。以上分析了三种常用的钢筋砼结构体系的特点，通过分析比较看出，选择高层建筑结构抗侧力体系通常需要考虑的两个主要原因是建筑物的高度和用途。

三正确认识高层建筑的受力特点，选择合理的结构类型

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，使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。

高层建筑有上述的受力特点，因此设计中在满足建筑功能要求和抗震性能的前提下，选择切实可行的结构类型。高层建筑上常用的结构类型主要有钢结构和钢筋砼结构。钢结构具有整体自重轻，强度高、抗震性能好、施工工期短等优点，并且钢结构构件截面相对较小，具有很好的延性，适合采用柔性方案的结构。其缺点是造价相对较高，当场地土特征周期较长时，易发生共振。与钢结构相比，现浇钢筋砼结构具有结构刚度大，空间整体性好，造价低及材料来源丰富等优点，可以组成多种结构体系，以适应各类建筑的要求，在高层建筑中得到广泛应用，比较适用于提供承载力，控制塑性变形的刚性方案结构。其突出缺点是结构自重大，抵抗塑性变形能力差，施工工期长，当场地土特征周期较短时，易发生共振。因此，高层建筑采用何种结构形式，应取决于所有结构体系和材料特性，同时取决于场地土的类型，避免场地土和建筑物发生共振，而使震害更加严重。

四提高结构的抗震性能

由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑，因此在地震区进行高层建筑结构设计时，除应保证结构具有足够的强度和刚度外，还应