高層建筑結構抗震設計方法分析

肖湘　宋水蘭

摘要：隨著建筑事業(yè)的飛速發(fā)展及城市建設用地的局限性，高層建筑的設計在城市的建設中占了主導地位。目前，高層建筑設計具有層數(shù)和高度不斷增加、體型和平面布置日趨復雜的特點。而地震等自然災害嚴重影響了建筑的安全性能，因此，如何對高層建筑結構的設計，提高其抗震性能，是建筑設計中所要研究的重點之一。本文介紹了幾種高層建筑結構抗震設計方法。

關鍵詞：抗震設計；高層建筑；措施；分析方法

1.前言

由于城市人口的發(fā)展，為了節(jié)約用地，更好地利用空間，往往在建筑設計時首先考慮高層建筑，從而高層建筑有了飛速的發(fā)展，高層建筑的發(fā)展趨勢是高度越來越增加，體型和平面日趨復雜。由于高層建筑又坐落在不同的地域，加上地質構造復雜，高層建筑很容易受到地震等自然災害的損害，地震發(fā)生具有很大的隨機性，破壞后果嚴重。而高層建筑抗震設計方法研究目前還不十分成熟，僅僅依據(jù)微觀的數(shù)學力學，沒有充分考慮高層建筑結構內力的阻尼變化、材料時效、非彈性性質以及空間作用等其他相關因素，很難在結構上提高高層建筑的抗震能力。為了降低在遭遇地震時的經濟和人力損失，因此，對高層建筑結構的抗震設計方法研究具有很大的必要性。

2.地震對高層建筑的作用影響分析

2.1對高層建筑構件形式方面

（1）在高層建筑的框架結構中，通常地震對板和梁的破壞程度輕于柱；

（2）地震作用經常在多肢剪力墻（鋼筋混凝土結構）的窗下引起交叉斜向的裂縫；

（3）如果混凝土柱配置螺旋箍筋，即使地震引起較大的層問位移，對柱以及核心混凝土作用并不明顯；

（4）鋼筋混凝土框架結構，如長、短柱并用于同一樓層，長柱受損害較輕。

2.2對高層建筑結構體系方面

（1）對于鋼筋混凝土柱、板體系的高層建筑，各層樓板因樓層柱腳破壞或者側移過大以及樓板沖切等因素而在地面墜落重疊；

（2）對于“填墻框架”體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，因而容易發(fā)生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現(xiàn)象；

（3）對于“填墻框架”體系的高層建筑，地震對采用敞開式框架問未砌磚墻的底層破壞嚴重；

（4）對于框架一抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大；

（5）對于“底框結構”體系的高層建筑，地震嚴重破壞剛度柔弱的底層。

2.3對高層建筑地基方面

（1）如果地基自振周期與高層建筑結構的基本周期相同或相近，地震作用因共振效應而增加；

（2）如果高層建筑處在危險和地形不利的區(qū)域，則容易使高層建筑因地基破壞而受損；

（3）地基處地質不均勻，在地震作用下容易使上部結構傾斜甚至倒塌；

（4）若高層建筑的地基處有較厚的軟弱沖積土層，則地震作用對高層建筑的損害顯著增大。

2.4對高層建筑剛度分布方面

（1）對于采用L形以及三角形等平面不對稱的高層建筑，地震作用能夠使建筑結構發(fā)生扭轉振動，因而損害現(xiàn)象嚴重；

（2）對于采用矩形平面布置的高層建筑結構，如果該建筑的抗側力構件（如電梯井等）布置存在偏心情況時時，同樣會使建筑結構發(fā)生扭轉振動。

3.建筑結構抗震設計方法分析

3.1靜力法

如果以F作為地震作用于建筑設施的力，以M表示建筑物的重量，以R表示地震震度，則有以下公式：

F=R×M （1）

這種以“震度”表示地震尺度的想法，在1924年（日本關東發(fā)生大地震后第二年）被納入日本的建筑工程相關的技術規(guī)范中，當時，人們已經意識到房屋的重量是影響地震破壞能力的一個極為重要的因素。在當時的條件下人們認為為建筑重量10%的水平力大約地震慣性力相當。在當時還假定：建筑結構的承載能力大小決定了房屋的抗震能力大小；地震力與建筑地基以及結構的實際特性等因素無關。

3.2反應譜法

美國在1933年長灘發(fā)生大地震以及在1940年ELcentro發(fā)生大地震時。均取得了強震加速度記錄。美國的一些相關研究者依據(jù)建筑物自振特性資料以及這些強震記錄提出了著名的地震反應譜理論，具有非常重要的現(xiàn)實意義。近些年來，我國在抗震設計領域也取得了較大的進展，逐漸形成了科學合理而又普遍適用的建筑結構抗震設計方法。大部分的建筑結構抗震設計規(guī)范都是根據(jù)結構能力以及反應譜理論建立起來的。

3.3彈性動力時程法

彈性動力時程分析法抗震結構設計的原理是，根據(jù)地震烈度、高層建筑場地類別以及設計分組的判斷，然后選用合適數(shù)量的地震地面運動加速度的記錄，對其積分然后求解運動方程，最終計算出在模擬的地震中建筑的加速度、速度以及位移的響應，進行抗震設計。高層建筑運動方程是獨立的，我們要計算各個時刻的結構反應只需用到數(shù)值方法求解。

3.4靜力彈塑性法

靜力彈塑性分析方法的原理為計算現(xiàn)有設計方案的抗側力能力，進而估計出其抗震能力，其具體方法為：根據(jù)房屋的具體情況在房屋上施加某種分布的水平力，逐漸增加水平力使結構各構件依次進入塑性，調整水平力的分布和大小，直到結構達到位移超限。其優(yōu)點在于：據(jù)結構的振型變化可以求得水平力的分布，根據(jù)結構在不同工作階段的周期通過設計反應譜可以求得水平力的大小。

3.5動力彈塑性分析法

我們以{y}，{y'}，{y''}分別表示運動的水平位移和速度以及加速度，以y_g表示地面運動水平加速度，則在多自由度系統(tǒng)中，在地面運動作用下的振動方程可以用以下公式表示：

[M]{y''}+[C]{y'}+[K]{y}=-[M]{L}y_g（2）

采用各種手段劃分由強震記錄的水平方向上的時間一加速度曲線，將其分為一系列極小的時間段，運用震動方程對對每一個時段方程進行積分求解，可求得每個時間段內體系的加速度、速度以及位移，最終可計算出結構內力。

4.建筑結構抗震方法的比較

地震是一種破壞性嚴重的自然現(xiàn)象，其三要素分別為：幅值、持時與頻譜特征。建筑結構抗震設計的方案應體現(xiàn)地震動特性和結構特性，所考慮的地震作用應在在地震作用下最大程度地反映結構的真實響應。表1為抗震設計方法反應結構特性以及地震動特性的具體情況對比。

5.建筑結構設計案例分析

某高層建筑，地下3層，地上28層，總建筑面積約6萬m²。其中，7～28層為住宅區(qū)；第6層作為空中花園以及設備轉換層；4～5層為辦公用區(qū)域；1～3層為商場樓層；地下3層作為設備用房和車庫；第7層樓蓋作為高層建筑的結構轉換層。高層建筑總高度（地面以上）為90.4m。該高層建筑以鋼筋混凝土框架剪力墻作為工程主體，柱截面面積為700×1100m²、800×1100m²，墻厚2-4m，板厚為：轉換層1.8m、天面1.2m、住宅1m、裙樓1.1m，梁截面面積為190×400-240×600m²。轉換層框支梁為400×1300-500×1500m²。該高層建筑要求Ⅶ度的防烈度；建筑設防類別為丙類；設計第1組為地震分組。預期的抗震等級為：8層以上為二級；1-8層為一級；6層以下普通框架為一級；框支框架為特一級。根據(jù)建筑結構抗震設計的相關規(guī)范，本工程設計中有四項不合理，具體為：

5.1扭轉不規(guī)則

在考慮各種因素的情況下，樓層豎向構件的水平位移最大應小于等于該樓層平均值的1.2倍，而在本高層建筑中此比值最大為1.32，大于1.2，屬于扭轉不規(guī)則。

5.2凹凸不規(guī)則

在該高層建筑中，平面最大凸出部位凸出尺寸為L=17.24m，B_max=41.20m，L與B_max之比為41.84%，而規(guī)范要求的此值為35%。

5.3樓板局部不連續(xù)

塔樓部分樓層電梯間局部樓板最小凈寬3m，相關的建筑規(guī)范規(guī)定此值為5m。

5.4豎向抗側力構件不連續(xù)

塔樓剪力墻通過轉換梁向框支柱傳遞，屬豎向抗側力構件不連續(xù)。

5.5解決措施

具體到本高層建筑，在進行建筑結構抗震設計時為了滿足相關規(guī)范的要求，需要采取的措施如下：

（1）加強剪力墻底部部位。

（2）根據(jù)規(guī)范要求提高框支柱的配筋率。

（3）塔樓樓梯問及周邊樓板厚度增大至1.5m。

（4）轉換層板厚度增大至1.8m。

（5）將剪力墻底部加強部位的鋼筋配筋率提高到0.5%。

（6）將剪力墻的底部加強部位以及框支柱等部位的抗震等級均提高一級。

6.結束語

隨著高層建筑的發(fā)展，建筑結構的抗震設計顯得越來越重要。高層建筑結構的抗震設計方法和抗震措施在不斷的改進，在對建筑結構進行抗震設計時要根據(jù)高層建筑的實際情況而選擇科學合理的抗震結構設計方法。

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收稿日期：2013-4-17

作者簡介：肖湘（1964-），男，高級工程師，從事教學工作。

宋水蘭（1985-），女，助教，從事教學工作。