高层建筑结构抗震分析和设计

高层建筑结构抗震分析和设计的探讨

摘要：高层抗震结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程, 任何一个过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加

复杂或使设计结果存在不安全因素。本文探讨了高层建筑结构的抗震分析和设计。

关键词：高层；混凝土；建筑；抗震；结构设计

中图分类号：tu352.1+1文献标识码： a 文章编号：

地震具有随机性、不确定性和复杂性，一个建筑物结构抗震性能好与坏，在概念上是清楚的，而在具体界限上又往往是模糊的。由于结构计算模型的假定与实际情况存在差异，因而使抗震计算往往很难完全控制结构的抗震性能。

一、高层建筑结构抗震设计的重要性

在以往的地震灾害中，结构工程师逐渐认识到工程结构中宏观的“概念设计”比“数值设计”的抗震更为重要，所以对“概念设计”越来越重视。建筑结构概念设计就是在结构宏观整体的基础上，根据结构系统及结构整体的要求，正确处理结构总体方案、细部构造及材料使用等，进而达到对建筑结构的合理设计。对在结构中遇到的结构体系、构件延性、刚度分布等问题，从宏观的角度上对其进行鉴别、选择等处理，通过适当的计算及构造来消除高层建筑抗震设计中的薄弱环节。工程师在进行概念设计时要充分运用其思维和判断力，确定结构设计中的基本问题。

结构抗震设计中存在着许多不确定或不确知的因素，同时又很难

对结构进行精确计算，因此安全、合理而经济的结构设计必须注意概念设计。在场地地基，结构体系、平面、立面等条件均确定的情况下，合理的选择混凝土结构的构件尺寸、配筋、箍筋，力求使建筑结构的刚度、承载力和延性在楼层平面内均匀，沿结构竖向连续，刚度、质量分布均匀。在合理的条件下减轻结构的自重，对抗震很有利。抗震结构的刚度应适宜，过大、过柔都不利。设计延性结构，强剪弱弯，设计适筋梁，大偏压柱、墙，提高结构的整体性对抗震设计都是非常重要的。因此，在进行抗震设计时，工程师要充分理解结构抗震的特点，分析振动中结构受力特性，抓住关键问题，用正确的思维才能得到科学合理的结构设计。

二、高层建筑抗震结构设计

1、从全局出发，科学布局

高层建筑结构设计要从建筑的全局出发，全面考虑各种建筑部位的功能. 我国的建筑结构抗震设计要遵循中华人民共和国国家标

准《建筑抗震设计规范》（gb 50011-2010）。辩证灵活运用其中抗震设计原则，严格执行设计施工标准，借鉴其中经验，结合高层建筑本地实际，科学设计。在此基础上，科学设计每个部分的构件，保证每个部件之间的契合，促使每个部件或者是若干部件组合起来可以完成某一特定的设计要求，满足一定的现实需求，同时，通过抗震设计，使得每个构件都可以具有相应的承载力，当地震来袭，允许一部分构件按着一定的次序先后破坏，但整体结构仍会有很大的承载力和延性，从而延缓地震破坏的速度，消耗爆发的能量。增

强建筑的整体抗震能力。同时，要将概念设计理论和基于性能的设计理论相结合。结合高层建筑结构设计施工地的具体实际情况，做出科学严谨勘探，掌握第一手资料，综合分析考虑，做出最优势的战略设计组合。

2、要严格选择场地地址

场地选址是进行建筑结构设计的基础，因此，在房间结构抗震设计中，要科学避开山嘴，山包，陡坡，河流等不利因素，要本着坚硬，牢固，平坦，开阔的选址原则。亲身实地，利用先进技术设备，进行地质勘探，山石水土监测，并取样论证，科学严谨分析。力求使得整个地基牢固可靠，地质稳定无渗漏，无坍塌，无暗河，无熔岩，无火山……从而保证整个地基不会因为承载而发生小范围的破坏，进而影响到整体结构承载能力和抗震能力。

3、减少地震发生时能量的输入

在具体的设计中，积极采用基于位移的结构抗震方法，对具体的方案进行定量分析，使结构的弹性变形满足预期地震作用力下的变形需求。对建筑构件的承载力进行验算的同时，还要控制建筑结构在地震作用下的层间位移；并且根据建筑构件的变形和建筑结构的位移之间的关系，确定构件的变形值；根据结构构件截面的应变分布以及大小，来确定建筑构件的构造需求。对于高层建筑，在坚固的场地上进行建筑施工，可以有效减少地震发生作用时能量的输入，从而减弱地震对高层建筑的破坏。

4、运用高延性设计、推广消震和隔震措施

在我国，许多高层建筑进行抗震设计时，多采用延性结构，也就是适当控制建筑结构的刚度，允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态，从而消耗地震作用时的能量，使地震反应减小，减弱地震给高层建筑带来的破坏。如果某高层建筑的承载能力较小，但是具有较高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因为延性构件可以吸收较多的能量，经受住很大的结构变形。延性结构的运用，在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。进入20世纪以来，人们对建筑物抗震能力的提高做出了巨大的努力，取得了显著的成果，其中阻尼器的使用在高层建筑的抗震方面有很大的作用。通过使用阻尼器进行减震和能量的吸收，可以巧妙地避免或减弱地震对高层建筑的破坏。

5、材料的选用和结构体系

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框—筒、筒中筒和框架—支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外，特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架——核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。

但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。

在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。

另外，许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2 的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。