高層建筑結構抗震設計的要點

【摘要】由于高層建筑坐落在不同的地域，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，地震發生具有很大的隨機性，破壞后果嚴重。因此加強高層建筑結構抗震設計研究具有重要的意義。本文即詳細闡述了高層建筑結構抗震設計的相關要點。

【關鍵詞】高層建筑；結構抗震；抗震防線；消能減震

一、地震對高層建筑的作用影響分析

（一）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間位移，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。

（二）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，因而容易發生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現象；

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

4、對于框架-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。

（三）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。

（四）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生扭轉振動，因而損害現象嚴重；

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生扭轉振動。

二、高層建筑結構抗震設計常見的問題

（一）缺乏巖土工程勘察資料或資料不全

主要表現在：

一是建筑場地巖土工程的勘察資料在擴建初設計階段還沒有到位。

二是在擴初設計會審之后就直接進入了施工圖設計。

三是施工圖設計只是在簡單的規劃設計或方案設計會審后就直接出來了。

四是沒有巖土工程勘察資料。這樣設計就成了無源之水，無水之木，沒有依據。結構的平面布置中外形不規則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質心偏心大，同一結構單元內，結構平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。

（二）一個結構單元內采用兩種不同的結構受力體系

如這一邊選用砌體承重，而另一邊或局部選用全框架承重或排架承重；還有一種是底框磚房中一邊為底框，而另一邊為磚墻落地承重，這種情況比較常出現在平面縱軸與街道軸線相交的住宅，一般設計為底層為商店，設計成一半為底框磚房（有的為二層底框），而另一半為磚墻落地自承，造成突變在平面剛度和豎向剛度二者之間，對抗震非常的有作用。

三、高層建筑結構抗震設計的方法

（一）選擇合適的抗震場地

每次地震發生時高層建筑都遭到很大的破壞，這除了是因為地址破壞了高層建筑的結構外，跟高層建筑的場地也有很大的關系。地震可能會引起的地表錯動與地裂，還可能會引起地基土的小均勻沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。因此，我們應該選擇對建筑抗震有利的地段，同時應避開對抗震不利的地段，即使無法避開時，也應采取適當的抗震加強措施，應根據抗震設防類別采取加強地基和上部結構整體性和剛度，和根據地基液化等級部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施；當地基主要受力層范圍內存在軟弱粘性土層、新近填土和嚴重不均勻土層時，采用樁基、地基加固和加強基礎和上部結構的處理措施，應估計地震時地基不均勻沉降或其他不利影響，對于地震時可能導致滑移或地裂的場地，應采取相應的地基穩定措施。

（二）盡可能設置多道抗震防線

一個帶有抗地震性能的結構不能僅僅是一個單獨的結構，必須要由多個具有良好延展性的結構分體系來構成，從而使得各個延展性結構之間的構件能夠互相連接起來從而進行協同工作。比如框架剪力墻結構就是由帶有延展性的框架以及剪力墻這兩個分體結構來組成的，其剪力墻主要是由雙肢或者多肢的建立墻體結構組合而成的。

高層建筑在受到強烈的地震之后，還會受到多次的余震影響，如果建筑結構在進行設計的過程中僅僅建立了一道抗震的防御結構，那么在第一次的強震破壞之后，如果再遭遇到余震，必然會使得建筑結構因為損傷的不斷累積而導致傾斜或者坍塌的現象發生。建筑的結構體系通常來說都是都是分別建立在建筑的內部和外部，在受到地震破壞的過程中，內部和外部所分布的屈服區，能夠有效的將各個方向的能量進行最大限度的釋放，從而有效的提升了建筑結構的抗震性能，防止建筑發生倒塌的現象。

（三）對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力

1、構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。

2、要使樓層（部位）的實際承載能力和設計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層（部位）的比值有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。

3、要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協調。

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有效手段。

（四）提高短柱抗震性能的應對措施

1、提高短柱的受壓承載力

提高短柱的受壓承載力可減小柱截面、提高剪跨比，從而改善整個結構的抗震性能。減小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強度等級，即采用高強混凝土來增加柱子的受壓承載力，降低其軸壓比；但由于高強混凝土材料本身的延性較差，采用時須慎重或與其他措施配合使用。此外，可以采用鋼骨和鋼管混凝土柱以提高短柱的受壓承載力。

2、采用鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式，由混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構材料。由于鋼管內的混凝土受到鋼管的側向約束，使得混凝土處于三向受壓狀態，從而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高，混凝土特別是高強混凝土的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值不應大于90，配筋率也應控制在4.6%以內。

3、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，分體柱方法已在實際工程中得到應用。

（五）隔震和消能減震設計的推廣和應用

現在，我國和世界的許多國家都采用適當的控制結構物的剛度，越來越受到人們的青睞，被稱為“延性結構體系”，但這種允許高層建筑結構構件（如梁、柱、墻、節點等）在地震進入非彈性狀態，而且會有很大的延性，減輕地震反應是以消耗地震能量的方法，使結構物“裂而不倒”。這在很多情況下是有效的，但也存在很多片面性。隨著社會的發展和人們生活水平的提高，人們對安全意識越來越注重，對各種建筑物和構筑物的抗震減震要求越來越高，傳統的抗震結構體系和理論越來越難以滿足人們的要求，傳統的抗震體系不具備隔震消能和各種減震控制體系，但是隔震消能和各種減震控制體系又越來越受到人們的重視，在未來的建筑結構中將起到非常重要的作用。

參考文獻

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