高層建筑結構抗震設計要點

成茂奇

摘要：近些年來高層建筑結構設計越來越重視抗震性能設計。本文分析了影響高層建筑結構抗震效果的主要因素，闡述高層建筑結構抗震設計要點。

關鍵詞：高層建筑；抗震；結構；抗震防線；設計要點

一、影響高層建筑結構抗震效果的因素

（一）高層建筑自身結構設計

高層建筑中抗水平力是結構設計主要矛盾，據不同側力及抗震等級采用不同結構體系。高層建筑從其本質上是懸臂結構，垂直荷載主要使結構產生軸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，隨建筑物增高僅引起數量增加，而水平荷載來自任何方向，均布荷載與建筑物高度大體為二次方變化。一般情況下水平荷載遠大于垂直荷載影響。應使結構要有較大強度外還要有足夠剛度。

高層建筑常用結構類型有鋼結構和鋼筋砼結構。鋼結構整體自重輕、強度高、抗震性能好、施工工期短等特點，且截面相對較小，有很好延性，適合柔性方案，其缺點是造價較高。當場地土特征周期較長時易發生共振。鋼筋砼結構剛度大、空間整體性能好、造價相對較低及材料來源也較豐富，較適用承載力大，控制塑性變形的剛性方案結構。不利因素是結構自重大、抵抗塑性變形能力差，施工周期較長。因此高層建筑采取何種形式應取決于結構體系和材料特性，同時取決于場地土類型，避免場地土和建筑發生共振，而使振害更加加重。

（二）高層建筑結構施工材料和過程

高層建筑結構施工原材料對其抗震效果有直接影響，因此施工建設中應明確施工材料重要性。通常情況下建筑物建設質量越高，地震對建筑物的作用力越小，在同等地震環境下建筑施工中使用性能越好的材料，其受到地震作用力也越小，而如無法保證材料使用性能，就會受到較大地震作用力。在高層建筑施工建設中選擇建筑材料時建議采用塑料板材、空心磚及加氣混凝土板等，這些質輕材料對保證建筑物抗震性能都十分有利。

高層建筑施工中為較好的保證其抗震效果，還應保證施工中每個環節和每道工序質量，應高度重視施工中各項管理工作，同時建立完善施工監管規范制度，嚴格按照設計圖紙及施工規范施工，保證高層建筑結構施工質量，確保其抗震效果。

（三）場地選擇

場地選擇對高層建筑至關重要。地震造成的破壞除地震直接引起結構破壞外還有場地條件原因。當地震來臨時，其對高層建筑結構破壞的原因有很多方面，最主要的是地表滑坡、山體崩塌及巖石斷層等導致地表發生運動，使建筑結構受到破壞，而水災和海嘯等地震帶來的次生災害也會破壞建筑物。因此選擇有利抗震建筑場地，是減輕地震災害的第一道工序，抗震設防區建筑工程應選有利地段，應避開不利的地段。

二、高層建筑結構抗震設計要點

（一）選擇有利場地

高層建筑選擇建筑場地時應據工程需要和地震活動情況、工程地質情況和地震地質情況有關資料，對抗震有利、一般、不利和危險地段做綜合評價。對不利地段應提出避開要求；當無法避開時應采取有效措施。對危險地段不應建設高層，減少建筑物先天缺陷，最大限度降低地震災害發生造成損失。

（二）合理建筑結構體系及參數設計計算分析

高層建筑抗震設計必須正確選擇合理結構體系，正確認識其受力特點，選擇合理結構布置，協調好建筑與結構關系，提高整體抗震性能。

建筑結構應據建筑抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素，經技術、經濟和使用條件綜合比較確定。結構體系應滿足：（1）應具有明確計算簡圖和合理地震作用傳遞途徑；（2）應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗振能力或對重力荷載的承載能力；（3）應具備必要抗震承載力，良好變形能力和消耗地震能量能力；（4）對可能出現的薄弱部位采取措施提高抗震能力。

對復雜結構進行多遇地震作用下的內力和變形分析時采用不少于兩個不同力學模型。目前主要有兩種計算理論：剪摩理論和主拉應力理論，它們有各自適用范圍：磚砌體一般采用主拉應力理論，而砌塊結構可采用剪摩理論。對計算機計算結果應經分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設計。結構計算控制主要計算結果有結構自振周期、位移、平動及扭轉系數、層間剛度比、剪重比、有效質量系數等。另外地下室水平位移嵌固位置，轉換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作依據。復雜高層建筑抗震計算時宜考慮平扭耦聯計算結構扭轉效應，振型數不應小于15，對多塔結構振型數不應小于塔樓數9倍，且計算振型數應使振型參與質量不小于總質量90%?？傊邔咏Y構計算很難一次完成，應據試算結果，按上述要求多次調整，得到較為合理計算結果，以保證建筑物安全。

（二）層間位移限制

高層建筑物在遭受地震作用下，一般樓層間會產生一定位移，從而致使各樓層間錯位，如樓層間位移超過限制會發生倒塌現象。據以往地震研究發現，層間位移限度不僅與建筑施工所使用材料有關，且還與整個建筑物結構體系有關。一般鋼筋混凝土相對于純鋼結構來說，對高層建筑層間位移限制較嚴格；風荷載作用下限度相對來說要求較嚴格。一般基于位移抗震設計方法以結構容許位移為出發點，在設計最后以結構構件強度進行檢驗，充分考慮各部件破壞。因此在實際設計過程中應綜合考慮，設計出有較強剛度又有較高承載力高層建筑。

高層建筑控制建筑位移除應從平面體型和立面變化等方面考慮提高總體剛度以減少結構的位移，在結構布置時應加強整體性及剛度，加強構件連接使結構各部分以更有效方式共同作用。還要加強基礎整體性，以減少基礎平移或扭轉對結構側移影響。同時注意加強結構薄弱部位和應力復雜部位強度。對高寬比嚴格限制，確保層間位移在規定范圍內。

（三）控制地震扭轉效應

對建筑結構扭轉影響應充分引起我們注意。因為在發生地震時建筑物各樓層間所發生形變量不同。其中距離建筑中心遠構件發生形變量較大，距離建筑結構中心近的構件發生形變量較小。同時由于發生層間位移，所以各樓層中心就不在一條直線上。所以在進行建筑結構設計時應為層間形變預留較大空間，對樓層間支撐柱體應注意加強其扭轉能力和恢復力，這樣在地震時就可有彈性形變，不至于因扭轉超過限制而發生倒塌情況。要把使用要求及建筑體型多樣化和結構的要求有機結合起來，形成側向穩定體系，最大限度減少地震扭轉效應。

（四）減小地震能量輸入

具體設計中積極采用基于位移結構抗震方法，對具體方案進行定量分析，使結構彈性變形滿足預期地震作用力下變形需求。對建筑構件承載力進行驗算同時，還要控制建筑結構在地震作用下層間位移限值；且據建筑構件變形和建筑結構位移間關系，確定構件變形值；據建筑界面應變分布及大小，來確定建筑構件構造要求。對高層建筑在有利場地上進行建筑施工，可有效減少地震發生作用時能量輸入，從而減弱地震對高層建筑破壞。

高層建筑應使結構具有一定塑性變形能力來吸收地震所產生能量，減弱地震破壞影響。必要時采取一定減震和消能減震措施 。

結語

綜上，結構抗震設計要達到的總體要求是“小震不壞，中震可修，大震不倒”這一目的，必須進行嚴格的選型、分析和計算。高層建筑是當下建筑發展的主要趨勢，其抗震設計是高層建筑設計的重中之重。

參考文獻

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