論高層建筑的抗震設計及減災方法

梁棟

（新昌縣規劃建筑設計院有限公司，浙江 新昌 312500）

1 概述

從上個世紀70年代以來，結構設計工程師通過多年的地震災害實踐經驗總結中明白，宏觀的“概念設計”對與工程結構抗震來說比“數值設計”來的更重要些。所謂的概念設計就是從結構總體方案設計的時候就運用人們在工程實踐中總結的正確的建筑結構抗震知識處理結構設計中遇到問題，以宏觀的原則評價、鑒別為基礎，做出必要的計算和構造措施，消除建筑物抗震的薄弱環節，從而達到合理的抗震設計的目的。因此，這就要求結構工程師必須從主體上了解結構抗震特點，振動中結構的受力特征，突出主要矛盾，用正確的概念設計，才能達到抗震減災的目的。

2 地震災害多發點

2.1 結構層屈服強度比較薄弱的樓層

由于很多高層建筑在結構設計上存在很大的不均勻性，一旦遇到比較大的能量沖擊，屈服強度比較薄弱的結構層就會被屈服，造成彈塑性變形急劇發生，導致彈塑性變形大面積擴展的現象。比如，1976年的唐山大地震中，由于13層的蒸吸塔框架中第6層和第11層屈服強度較弱，導致該蒸吸塔6層以上全部倒塌。

2.2 柱端和節點處

高層建筑結構中一般是梁輕柱重，柱子的頂部重于（終于）柱子的底部，特別是角柱和邊柱更容易受到地震破壞。柱子容易受到彎曲破壞，輕則發生水平或斜向斷裂，重則混凝土被壓垮塌，導致里面鋼筋崩脫。當柱子的一側有強度較高的砌體填充墻嵌砌時，柱頂受剪切力破壞嚴重，甚至會轉移到窗口上下處，以及出現短柱受剪切力的破壞。

2.3 砌體填充墻

砌體填充墻雖然剛度很大，但其變形能力很差，在強烈的地震S形沖擊波的破壞下會遭受嚴重的破壞。

3 影響高層建筑結構抗震能力的主要因素

3.1 高層建筑結構所用的材料及施工質量

眾所周知，建筑結構的施工材料質量越差，地震對建筑所造成的破壞越大，但是這個問題往往被人們所忽視。在建筑物的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻等構件中，假如能廣泛使用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶?；炷?、加氣混凝土板、空心塑料板材等輕質材料，將會顯著改善建筑物的抗震性能。因此，在整體施工過程中，一定要對施工的每個環節都加以重視，任何一個環節出現紕漏，都有可能影響建筑結構本身的抗震能力。

3.2 高層建筑結構本身結構設計問題

一棟建筑物假如平面布置復雜，導致質心和剛心不在同一點，就很容易在地震作用下產生扭轉彎曲，加劇了地震的破壞力。例如，臺灣的9·21地震中，一棟高層建筑由于結構平面不規則，在水平的地震作用下，產生扭曲效應，導致建筑坍塌。對于結構平面布置不規則的建筑，我們應注意偏離結構剛心遠端的抗震墻和框架柱的承載力計算。對于建筑的立面，要避免頭重腳輕，盡量將結構的重心降到最低。

3.3 建筑場地

建筑選擇工程地址時，一定要進行詳細的地質勘探，熟悉地形地質情況，挑選對建筑抗震有利的地形。由于地震時地面的強烈運動會導致建筑在振動過程中，喪失整體性和穩定性而遭到破壞，甚至會造成水壩倒塌、海嘯、火災等次生災害的發生。斷層錯動、山崖崩塌、河岸滑坡地層陷落等地面嚴重變形造成的災害可以通過工程措施加以防治，而很多災害單靠工程措施是很難達到預防目的，而且會讓人們付出慘痛的代價。因此，要盡可能避免對建筑抗震不利的場地，不管是什么情況，都不能在抗震不利場地中建造對人員傷亡和造成巨大經濟損失的建筑物。

4 高層建筑結構抗震的具體設計

4.1 重視建筑結構的規則性

在高層建筑結構設計中，結構的均勻性主要體現在以下幾個方面：一是，由于實際的高層建筑結構都是三維立體的，而實際的地震作用和風荷載都是比較復雜多變的，具有多向性，所以高層建筑中主體抗側力結構的兩個主軸方向的剛度和變形特性都要相似，才能使得高層建筑的兩個主軸方向受力比較均勻，這樣才能具有良好的抗震力和抗風性。二是，高層建筑主體抗側力結構在豎向斷面、構成變化上比較均勻，不能由于某種情況產生突變。特別是主體結構的層剪切剛度不能發生突變，因為均勻的高層建筑結構能夠避免由于建筑薄弱層破壞而導致整個建筑物遭到破壞。三是，高層建筑主體抗側力結構應注意同一主軸方向上的各個抗側力結構剛度均勻，避免在主體結構布置中設置一些剛度特別大而延性較差的結構，比如長窄的實體剪力墻，雖然長窄的實體剪力墻在結構上能滿足對稱性和剛度的要求，但其個別結構剛度很大，在地震作用下，會吸收很大的能量，導致應力集中，首先遭到破壞，從而會導致整體建筑結構的破壞。而同一主軸方向上的抗側力結構剛度均勻就會在水平荷載作用下應力分布均勻，這樣有利于結構抗震延性的實現。

4.2 建筑結構體系的合理選擇

高層建筑結構體系選擇是結構設計考慮的關鍵，結構方案是否合理，對安全性和經濟性起決定性的作用。結構體系需要有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，如建筑物梁的布置應盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構件墻、柱上去；盡量使豎向構件在垂直重力荷載作用下的壓應力水平接近均勻，避免豎向構件之間形成二次壓應力的轉移；布置轉換結構時，盡量使上部結構豎向構件傳來的垂直重力荷載通過轉換層不超過2次轉換，傳遞到下部結構的豎向構件上去；由于抗側力結構一般有框架、剪力墻、筒體、支撐等組成，為了使它們貫通連續，在整體抗側力結構上必須體系明確，傳力直接，若它們沿豎向有變動，變化也要緩慢均勻，不能產生突變。結構體系需要多道抗震防線，框架-剪力墻結構就是具有良好性能的多道防線的抗震結構。剪力墻既是主要抗側力構件，又能充當第一道抗震防線。所以想結構體系中有相當數量的剪力墻，使得它的結構底部地震傾覆力矩不小于底部總地震傾覆力矩的50%。同時，剪力墻可以通過合理設置連梁，組成多肢聯肢墻，使其具有優良的多道抗震防線性能。連梁的剛度、承載力和變形能力應與墻肢相匹配，避免連梁過強而使墻肢產生較大拉力而過早出現剛度和承載力退化。為了能夠承受剪力墻開裂后重分配的地震作用，任何一層框架和墻協同作用分配的地震剪力，不應小于結構底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5倍之兩者的較小值。

主體抗側力結構的剛度選擇合理是高層建筑結構設計中重要指標之一。首先，主體抗側力結構的剛度須滿足規范上規定的水平位移、整體穩定、強度延性等要求。但在多年工程設計的經驗中總結出，高層建筑主體抗側力結構的剛度不宜過大，由于結構的延性和安全儲備主要依靠合理的結構構造和精心的設計，高層建筑的主體抗側力結構剛度滿足規范值即可；而主體抗側力結構剛度過大，也會造成結構的基本自振周期短，隨著地震作用的加大，結構承受的水平力和傾覆彎矩也加大，地基基礎的負擔也加大，導致結構的截面和相應的構造配筋增加，大大降低了其經濟效率。

5 減輕地震災害的措施

5.1 對舊有建筑進行加固

由于我國部分地區發展相對滯后，還存留了很多70年代前后的建筑物，這些建筑物在建造時大多數都沒有或者很少考慮到抗震問題，以至于現在很多建筑都存在基礎沉降、墻體裂縫、傾斜、面層剝落等現象和隱患。為了確保人民生命財產的安全，同時又能充分利用舊房資源，我們對不符合抗震要求的建筑進行加固，對部分建筑進行修繕，達到滿足抗震的目的。消能減震技術在抗震加固中具有獨特的優點，它擺脫了常規加固中以構件承載力為主的加固模式，而是通過減小建筑物上地震作用的途徑，使結構和構件滿足抗震要求。這對地震頻繁，人口眾多的我國來說，對工程結構抗震具有大的意義。

5.2 研究開發更為合理的結構形式

隨著科學技術的不斷進步，高層建筑結構逐漸向自重輕、跨度大、功能多樣、施工周期短的方向發展。因此，質量輕強度高的新型建筑材料的研制和更為合理的建筑結構形式的研發成為各種新型結構體系發展的必然趨勢。例如，開合屋蓋結構，是一種在短時間內部分和全部屋蓋可以移動或開合，其結構是將一個完整的屋蓋結構劃分為幾個可移動的單元，可移動單元能夠按照一定軌跡移動達到開啟和閉合的作用。

5.3 建材及建筑結構體系的合理選擇

對于我國這個地震多發的地區，高層建筑施工材料的質量和結構體系的合理選擇應該受到人們的高度重視。我國高層建筑中主要的結構體系為框架、剪力墻、筒體等幾種體系，而在國外的多發地震區，結構體系是以鋼結構為主，這應該是我國地震多發區值得借鑒的地方。

在地震多發地區，要注意結構體系及材料的優選。我國鋼材產量居世界前列，建筑鋼材的類型和品種也隨之增多，鋼結構的加工制造能力也隨之提高，所以我們要盡可能采用型鋼混凝土（SRC）鋼管混凝土結構（CFS）或鋼結構（S或SS），以減小柱子斷面尺寸。由于鋼結構質量較輕，利用鋼管混凝土承重，柱子自重能夠減輕65%左右，而柱截面減小能夠增加建筑空間的使用面積，在工程造價上鋼管混凝土與鋼筋混凝土相比，可降低15%左右。因此，在高層建筑結構中，建議優先考慮使用鋼管混凝土結構。

[1]建筑抗震設計規范（GB500zl-2001）[S].北京：中國建筑工業出版社．2001.

[2]郭繼武．建筑抗震設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]朱鏡清．結構抗震分析原理[M].地震出版社.2002.11．

[4]除宜和，丁勇春．高層建筑結構抗震分析和設計的探討[J]．江蘇建筑．2004(3)．

[5]徐宜和，丁勇春．高層建筑結構抗震分析和設計的探討[J]．江蘇建筑，2008(3)．

[6]陳天虹，李家康，馬曉董．對“高層混凝土結構與抗震”課程教學問題的探討[J]．浙江科技學院學報，2005(1).