淺析高層建筑結構抗震設計

【摘 要】伴隨著我國經濟的飛速發展，我國各地高層建筑拔地而起，速度驚人。同時，這也給高層建筑抗震設防帶來新的課題。本文從不同的角度分析了概念設計的主要內容和方法，著重探討了高層建筑抗震設計的方法，以供參考。

【關鍵詞】高層建筑；結構；抗震；概念設計

高層建筑抗震設防是工程設計面臨的迫切任務，高層建筑結構的抗震仍然是建筑物安全考慮的重要問題，結構抗震分析和設計已變得越來越重要。同時，建筑材料的選用對結構抗震的影響越來越受到人們的關注。概念設計在抗震設計中是必不可少的內容之一，主要目的就是使整體結構能發揮耗散地震能量的作用，避免結構出現敏感的部位，造成地震能量的耗散僅集中在極少數薄弱部位，導致結構過早破壞。概念設計涉及的內容十分的廣泛，下面從不同的角度進行了闡述。

1 選擇對建筑抗震有利的場地和地基，以減少地震的能力輸入

場地條件通常指局部地形、斷層、地基土層、砂土液化等。表層覆蓋層土質硬、厚度小，則承載力高，穩定性好，在地震作用下不易產生地基失效；土質愈軟，厚度愈大，對地震的放大效應愈大；局部凸出的土質山梁，孤立的山包，對地震效應有放大作用。在地質斷層，地震中常出現地層錯位、滑坡、地基失效或土體變形。抗震設計時，應選擇堅硬土或中硬土場地，當無法避開不利的或危險的場地時，應采取相應措施。

2 選擇延性好的結構體系與材料，并將結構設計成延性結構，削減建筑物對地震的反應

2.1 抗震結構體系的布置

抗震結構平面及立面的變化要均勻，其剛度、承載力和延性在樓層平面內應均勻，沿結構豎向應連續，剛度和質量分布均勻。平面及立面布置應簡單、規則，同時對于平立面形狀超規，房屋超長，地基土不均勻等情況應設置合理的防震縫。抗震結構體系盡量減少自重，由于在高層建筑中，各層樓面板的自重約占建筑物地面以上總重的40%左右，因此，盡量減少板的自重是減輕房屋總重的最佳途徑，如采取密肋樓板，現澆多孔板等都是行之有效的方法。此外，在減輕結構自重方面，運用高強混凝土來減小構件的斷面，運用輕質材料如加氣混凝土、輕質隔墻等也是非常好的措施。

抗震結構剛度不宜過大，結構也不宜過柔，要滿足位移限制。所設計結構的周期要盡量與場地土的卓越周期錯開，大于卓越周期較好。防止出現軟弱層而造成嚴重破壞或倒塌，防止傳力途徑中斷。尤其是在不規則結構或體形復雜的結構中，一定要設置從上到下貫通連續的有較大剛度和承載力的抗側力結構。抗震結構應盡量減少扭轉，扭轉對結構的危害很大，同時要盡量加大結構的抗扭剛度。兩者的關鍵均在剪力墻的布置，剛度大的抗側力結構沿結構外圍布置，有利于抗扭。

2.2 構件和結構的延性

一座建筑物耐震與否，主要取決于結構所能吸收的地震能量，它等于結構承載力與變形能力的積，也就是說，結構的抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的。承載力較低但延性很大的結構，所能吸收的地震能量多，地震時，雖然較早的發生破壞，但其變形能力強，避免倒塌；相反，僅僅承載力很強但延性很低，無變形能力的結構，吸收地震能量的能力弱，一旦地震能量超過設計水平，就會發生脆性破壞而突然倒塌。

在抗震設計中，結構的延性具有與抗震承載力同等甚至更大的重要性，特別是對于大的地震作用來說，必須采取增加延性的措施，這是結構抗震設計有關規定的出發點。因此，抗震結構除按規定進行抗震設計外，還要滿足延性的要求。延性是指構件或結構具有承載力不降低或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，結構都應該設計成延性結構，即在設防烈度地震作用下，允許結構出現塑性鉸，當合理控制塑性鉸部位、構件又具備足夠的延性時，可做到在大震作用下結構不倒塌。

在高層建筑中，各種體系都是由框架或剪力墻組成，作為抗震結構都應該設計成延性框架和延性剪力墻。綜合以上對于構件和結構延性產生影響的因素，可以得出延性結構的設計原則如下：1)強柱弱梁或強墻弱梁：要控制梁—柱或梁—墻的相對承載力，使塑性鉸首先在梁端出現，盡量避免或減少柱、墻中的塑性鉸。2)強剪弱彎：要使構件抗剪承載力大于塑性鉸抗彎承載力。3)強節點、強錨固：要保證節點區和鋼筋錨固不會過早破壞，不在梁、柱、墻等構件塑性鉸充分發揮作用前破壞。

2.3 盡可能設置多道抗震防線

在抗震結構中，雙重體系優于單一體系，如框—墻、筒—框、筒中筒等結構優于框架、筒體等結構，另外可設置贅余桿件增加抗震防線。超靜定結構允許部分構件屈服甚至破壞，是抗震結構的優選結構。合理預見并控制超靜定結構的塑性鉸出現部位，就可以形成抗震的多道防線。第一道防線是指全部結構，其部分構件可能屈服，要求具有良好的延性；第二道防線是由部分結構組成的，它必須具有一定的抗側剛度及承載力，萬一第一道防線中某些部分破壞，第二道防線能形成獨立的結構，抵抗總剛度減小后的地震作用。如果預見某些部位有可能破壞，應當針對第二道防線的結構作抗震驗算，并且使第二道防線的結構也具有延性。適當處理構件之間的強弱關系，使其形成多道抗震防線，是增強結構抗震能力的重要措施。

對此，我們應合理地選擇混凝土結構構件的尺寸、配筋和箍筋，提高結構整體性。各構件之間的連接必須牢靠，并符合下列要求：構件節點的承載力，不應低于其連接構件；注意應力集中部位，如果地震作用有可能使應力集中部位提前破壞，則應做好第二道防線設計，否則應加強應力集中部位，保證結構整體工作；裝配式結構的連接，應能保證結構的整體性；必須有可靠的措施以確保各抗側力構件空間協同工作。

此外，高層建筑結構的抗震概念設計還有很多，包括：提高結構的阻尼，增設阻尼裝置(吸能器)，以削減建筑物對地震反應的峰值；在主體非承重結構中設置耗能材料，保護主體結構；采用適宜的基礎隔震技術，地基基礎的承載力和剛度要與上部結構的承載力和剛度相適應，并在上部結構和基礎之間設置某些由各種隔震器組成的隔震裝置等。

3 結語

隨著新型結構原理的進步，高性能材料的發展，計算機技術水平的不斷提高，促使人類建筑再上一個新的臺階。新型結構體系結構形式復雜，分析難度大，全面細致的考慮結構各個構件和每個組成部分，成為今后新型結構體系設計和考慮的重點。

分析、預見、控制結構的耗能和薄弱部位是概念設計中的重中之重，找出能支持結構，使它不倒塌的關鍵部位。各部分構件該強則強，該弱則弱，有預見才能做到措施具體而有效。概念設計必須綜合考慮各方面的因素，有矛盾時要衡量利弊，消除其弱點。概念設計的思想被越來越多的結構工程師所接受，并在結構設計中發揮越來越大的作用。用整體概念規劃總體方案的方法，以及結構總體系和分體系的相互力學關系和簡化近似設計方法，為結構工程師和建筑師在設計中創造性地相互配合，設計出更加可靠，更加令人滿意的建筑作品，提供了強有力的保障。

參考文獻：

[1]章錫鼎，殷繼偉。新型高層建筑結構與材料的抗震分析和設計[J]。中國新技術新產品，2011，(5)。

[2]董心德，葉丹，張永平，蔡士連。復雜高層建筑結構基于性能的抗震設計概要[J]。中國產業，2010，(12)。

[3]原帥，肖常安，賴碧君。坡地不等高嵌固高層建筑結構抗震設計問題探討[J]。貴州科學，2011，(5)。