高層建筑抗震結構設計探討

宋昆霖

摘要：隨著我國城市人口的不斷增多及建設用地趨緊張和城市規劃的需要，促使高層建筑得以快速發展。另一方面由于輕質高強材料的開發及新的設計計算理論的發展，抗風和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術和設備的不斷涌現，特別是計算機的普及和應用以及結構分析手段的不斷提高，為迅速發展高層建筑提供了必要的技術條件。地震是一種自然現象。如果強烈地震發生在人類聚居區,就可能造成嚴重的地震災害,08年發生的汶川地震、4月14號青海玉樹地震再次給我們敲響了警鐘, 提醒我們在建筑結構抗震方面應該進一步加強。本文通過筆者多年從業經驗對高層建筑抗震結構設計的幾個問題進行了總結。

關鍵詞：高層建筑抗震設計

一、抗震設計的理論分析

（一）擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀10~40年代發展起來的一種理論，它在估計地震對結構的作用時，僅假定結構為剛性，地震力水平作用在結構或構件的質量中心上。地震力的大小當于結構的重量乘以一個比例常數(地震系數)。

（二）反應譜理論。反應譜理論是在加世紀40~60年代發展起來的，它以強地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動特性的進一步了解，以及結構動力反應特性的研究為基礎，是加理工學院的一些研究學者對地震動加速度記錄的特性進行分析后取得的一個重要成果。

（三）動力理論。動力理論是20世紀70－80年廣為應用的地震動力理論。它的發展除了基于60年代以來電子計算機技術和試驗技術的發展外，人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解，同時隨著強震觀測臺站的不斷增多，各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論，它把地震作為一個時間過程，選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入，建筑物簡化為多自由度體系，計算得到每一時刻建筑物的地震反應，從而完成抗震設計工作。

二、 高層建筑結構抗震設計的基本方法

減少地震能量輸入。積極采用基于位移的結構抗震設計，要求進行定量分析，使結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求。除了驗算構件的承載力外，要控制結構在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比；根據構件變形與結構位移關系，確定構件的變形值；并根據截面達到的應變大小及應變分布，確定構件的構造要求。對于高層建筑，選擇堅硬的場地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯開地震動卓越周期，可防止共振破壞。推廣使用隔震和消能減震設計。目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震結構體系是“延性結構體系”，即適當控制結構物的剛度，但容許結構構件在地震時進入非彈性狀態，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應，使結構物“裂而不倒”。采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震、懸吊隔震等措施，改變結構的動力特性，減少地震能量輸入，減輕結構地震反應，是一種很有前途的防震措施。提高結構阻尼，采用高延性構件，能夠提高結構的耗能能力，減輕地震作用，減小樓層地震剪力。隨著社會的不斷發展，對各種建筑物和構筑物的抗震減震要求越來越高，地震控制體系具有傳統抗震體系所難以比擬的優越性，在未來的建筑結構中將得到越來越廣泛的應用。在高層建筑的方案設計階段，結構材料選用也很重要。可以對材料參數隨機性的抗震模糊可靠度進行分析，改變過去對結構抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數的變異性，地震烈度的隨機性及烈度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。從抗震角度來說，結構體系的抗震等級，其實質就是在宏觀上控制不同結構的廷性要求。這要求我們應根據建設工程的各方面條件，選用符合抗震要求又經濟實用的結構類別。

三、正確認識高層建筑的受力特點，選擇合理的結構類型高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構，垂直荷載主要使結構產生軸向力與建筑物高度大體為線性關系；水平荷載使結構產生彎矩。

從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來自任何方向，當為均布荷載時，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看，豎向荷載引起的側移很小，而水平荷載當為均布荷載時，側移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結構中，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，水平荷載是結構設計的控制因素，結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外，同時要求結構要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。高層建筑有上述的受力特點，因此設計中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實可行的結構類型，使之在特定的物資和技術條件下，具有良好的結構性能、經濟效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結構類型主要有鋼結構和鋼筋砼結構。鋼結構具有整體自重輕，強度高、抗震性能好、施工工期短等優點，并且鋼結構構件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結構。其缺點是造價相對較高，當場地土特征周期較長時，易發生共振。與鋼結構相比，現澆鋼筋砼結構具有結構剛度大，空間整體性好，造價低及材料來源豐富等優點，可以組成多種結構體系，以適應各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時，易發生共振。因此，高層建筑采用何種結構形式，應取決于所有結構體系和材料特性，同時取決于場地土的類型，避免場地土和建筑物發生共振，而使震害更加嚴重。

四、 提高結構的抗震性能

由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達到這一要求，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量，減弱地震破壞的影響。框架結構設計應使節點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁、柱端的塑性鉸出現得盡可能分散，充分發揮整體結構的抗震能力。為了保證鋼筋砼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”的原則進行設計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構造配筋要求，特別是要加強節點的構造措施。對于框架———剪力墻結構和剪力墻結構中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁”的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

綜合上述，只有通過了高層建筑的受力特性、結構類型、結構體系、結構布置、抗震性能等多方面的概念設計，從而更加有效地構造出新的措施與計劃，完善建筑結構設計。