淺析高層建筑抗震結構設計

王志勇

地震作用影響因素極為復雜，它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用，目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法，要進行精確的抗震計算還有一定的困難，因此建筑(尤其是高層建筑)抗震安全問題必須引起建筑師們的高度重視，及時采取有效措施，防患于未然。

1建筑抗震設計的基本內容

1.1應重視建筑結構的規則性

建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案。合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的，提倡平、立面簡單對稱。因為震害表明，此種類型建筑在地震時較不容易破壞。容易估計出其地震反應，易于采取相應的抗震構造措施和進行細部處理。“建筑結構的規則性”包含了對建筑的平立面外形尺寸，抗側力構件布置、質量分布，承載力分布等諸多因素的綜合要求。“規則建筑”體現在體形(平面和立面的形狀)簡單：抗側力體系的剛度承載力上下變化連續、均勻：平面布置基本對稱。

1.2抗震概念設計應堅持的原則

1.2.1剛柔相濟原則

在抗震設計中，不能一味地提高結構的抗力，一般是根據初定的尺寸和混凝土等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力．然后計算配筋。如果結構剛度太大，地震作用效應就很大。這樣為抵御地震而需配更多的鋼筋，因此，增加了結構的剛度，反而使地震作用效應增強。在較大的地震力瞬間襲來時，極易造成局部受損，最后導致各個擊破：而太柔的結構雖然有很好的延性，可以消減外力，但容易造成變形過大而無法使用，甚至整體傾覆。在抗震設計中，為了實現剛柔相濟的原則，既滿足變形要求，又能減小地震力，最主要的方法是進行隔震消能設計。隔覆消能設計一般的做法是在基礎和主體之間設置柔性隔震層、加設消能支撐(類似于阻尼器的裝置)等：另外，在抗震設計中”，剛柔相濟”可以通過合理控制設計總信息來實現。比如周期、位移、地震力應滿足GB5001122001建筑抗震設計規范限值要求或者不超規范太多。

1.2.2多道設防原則

強烈地震后往往伴隨多次余震，如果只有一道設防，在首次破壞后再遭余震．結構將會因損傷積累而導致倒塌。因此，一個抗震結構體系，應由若干個延生較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，如框架一剪力體系是由延性框架和抗震墻兩個分體系組成。

1.3抗側力結構和構件應設計成延性結構或構件

延性是指構件或結構具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。

在“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計原則下，結構應設計成延性結構。當設計成延性結構時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結構變形加大，但結構承受的地震作用不會直線上升，也就是說，結構是用它的變形能力在抵抗地震作用。

延性結構的構件設計應遵守“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱桿件，強底層柱”原則，承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

1.4應有意識地加強薄弱環節

1.4.1結構在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力分析而不是承載力設計值的分析)是判斷薄弱層的基礎o

1.4.2要使樓層(部位)的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的這個比例有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。

1.4.3要防止在局部上加強而忽視整個結構各位剛度、承載力的協調。

1.4.4在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的主要手段。

2改善短柱抗震性能

在高層特別是超高層建筑結構設計中，柱子的截面往往比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。按抗震設計要求，應當盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸．采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

2.1使用復合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和”強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發生剪切型破壞的。因此，使用復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力。改善對硅的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的

2.2采用分體柱

由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多。在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用下。柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現出延性的破壞狀態。人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為或個柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素硅連接鍵等形式。

對分體柱工作性態的理論分析和試驗研究表明采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力稍有降低，但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高，其破壞形態由剪切型轉化為彎曲型，從而實現了短柱變“長柱”的設想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比八蕊的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實際工程中得到應用。

2.3采用銅，鹼柱

鋼骨硅柱由鋼骨和外包鹼組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接軋制而成的工字形、口字形、十字形截面。

與鋼結構相比。鋼骨鹼柱的外包鹼可以防止鋼構件的局部屈曲。提高柱的整體剛度，顯著改善鋼構件出平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發揮采用鋼骨硅結構，一般可比鋼結構節約鋼材達50％以上。此外，外包鹼增加了結構的耐久性和耐火性。與鋼筋磚結構相比，由于配置了鋼骨。使柱子的承載力大大提高，從而有效地減小了柱截面尺寸鋼骨翼緣與箍筋對鹼有很好的約束作用，鹼的延性得到提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

由于鋼骨硅柱充分發揮了鋼與硅兩種材料的特點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優越的技術經濟指標等特點，如果在高層或超高層鋼筋硅結構下部的若干層采用鋼骨硅柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結構的抗震性能。