淺談高層建筑的抗震設計

文/倪楠 吉林省經濟管理干部學院 吉林 長春 130012

淺談高層建筑的抗震設計

文/倪楠 吉林省經濟管理干部學院 吉林 長春 130012

分析了現行高層建筑結構抗震設計中應注意的一些問題，并對高層建筑結構抗震設計提出了幾點看法。

高層建筑；抗震設計；抗震設防烈度；彈塑性動力分析；彈塑性靜力分析

1　引言

自世界上第一幢高層建筑——美國芝加哥家庭保險公司建設以來，至今已有130多年的歷史。高層建筑不僅在結構型式和用料上多樣化，并且在建筑高度上也大幅度提高。中國處于地震多發帶，抗震設防是工程設計必須解決的問題，因而高層建筑抗震設計處于非常重要的地位。

2　高層建筑結構抗震設計的主要內容

2010年版抗震規范規定高層建筑的抗震計算是在多遇地震作用下， 地震作用按反應譜理論計算， 計算內力及位移用彈性方法， 構件設計用極限狀態方法。有特殊要求或重要的建筑，用時程分析法補充計算，并進行大震作用下的變形驗算。要求彈塑性計算，對于提高高層建筑的抗震設計水平是十分有益的。高層結構彈塑性分析可分為彈塑性動力分析和彈塑性靜力分析兩種。

彈塑性動力分析，采用層模型和桿模型等簡化的結構計算模型， 直接輸入地震波，考慮彈塑性性能，依據彈塑性恢復特性建立動力方程，用逐步積分直接求出地震過程中加速度、速度和位移的時程變化，能夠描述結構在強震作用下，在彈性和非彈性階段的內力變化，以及結構構件逐步開裂、構件屈服、損壞直至倒塌的全過程。

彈塑性時程分析，要求設計人員有高水平的專業知識，計算結果受地震波的影響大。一些專家提出彈塑性靜力分析方法進行抗震分析。彈塑性靜力分析采用空間協同平面結構模型或三維空間模型；梁、柱、墻根據其截面尺寸、配筋及材料確定其彈塑性力—變形關系；在結構上施加荷載；隨著荷載逐步增大，桿端屈服，出現塑性鉸，直到塑性鉸足夠多或層間位移角足夠大，計算結束。這種方法可以知道結構中每個構件的內力和承載力之間的關系以及各桿件承載力間的關系，得出是否符合強剪弱彎 （或強柱弱梁），并可發現結構的薄弱部位，還可得到不同受力階段的側移變形，給出底部剪力—頂點側移關系曲線以及層剪力—層間變形關系曲線等等。

3　高層建筑抗震設計的問題

3.1抗震設防依據和設防標準的問題

1）設計文件中沒有提供設防烈度和建筑物抗震設防類別的現象較普遍，到底是按什么抗震設防標準進行設防，不清楚。

2）有的工程雖然提供了設防烈度，但是勘察報告與設計文件不一致。

3）設防烈度和建筑物抗震設防類別錯誤。

3.2地基和基礎的設計問題

1）場地地質勘察不符合抗震要求。

2）場址選擇中，場地的地質構造、土質和地形沒有完全勘察清楚。

3）地基處理中，對沙土、粉土液化，巖土邊坡穩定，軟弱粘性土震陷的判別及處理措施不力。

4）基礎設計偏于保守，造成浪費。

3.3結構布局不合理。

3.4抗震構造不滿足抗震的要求。

4　高層建筑抗震設計的趨勢

4.1錯開地震動卓越周期

場地的地面運動，均存在著一個破壞性最強的主振周期，如果建筑物的結構自振周期與這個卓越周期相等或相近，建筑物的破壞程度就會加重，反之則會減少。

從近年的因地震倒塌建筑物中可以看出，建筑結構周期與地震動卓越周期相接近，是引起建筑共振破壞的主要因素和直接原因。進行高層建筑設計時，首先要估計地震引起該建筑所在場地的地震動卓越周期；然后，確定建筑方案時，通過改變房屋層數和結構類型，盡量加大建筑物基本周期與地震動卓越周期的差距。

4.2、采取基礎隔震措施

傳統的抗震設計是依靠結構的變形能力和承載力，來抵抗地震能量，使建筑免于破壞。地震對建筑的破壞作用，是由于地面運動激發起建筑的強烈振動所造成的，也就是說，破壞能量來自地面，通過基礎向上部結構傳遞。人們總結地震經驗后發現，地震時結構底部的有限滑動，能大幅度地減輕上部結構的破壞程度。科技論文。

基于可動概念的基礎隔震方案很多，主要有：（1）軟墊式隔震。在房屋底部設置若干個帶鉛芯的鋼板橡膠隔振裝置，使整個房屋坐落在軟墊層上，遭遇地震時，樓房底面與地面之間產生相對水平位移，房屋自振周期加長，主要變形都發生在軟墊塊處，上部結構層間側移變得很小，從而保護結構免遭破壞。（2）滑移式隔震。在房屋基礎底面處設置鋼珠、鋼球、石墨、砂粒等材料形成的滑移層或滾動層，使建筑物遇地震時在該處發生較大位移的滑動，達到隔震目的。（3）擺動式隔震。科技論文。擺動式隔震方式實質上是柔性底層概念的改進和引伸。（4）懸吊式隔震。這一隔震方式的構思是，將整個建筑懸吊在支架下面，避免地震的直接沖擊，從而大幅度較小建筑物所受到的地震慣力。

4.3、提高結構阻尼

為了提高結構阻尼，可以在結構上設置阻尼器，以吸收地震輸入的能量，減小結構變形。

結束語

目前，建筑業發展迅速，高層建筑也不斷增加，對建筑的抗震設計的要求越來越高。建筑的抗震設計方案要根據建筑物體型、結構特點、荷載性質和地質條件等綜合分析。

〔1〕王全鳳.高層建筑結構力學分析的進展，力學與實踐，1994，Vo l.16，No.2，P10.

〔2〕方鄂華，錢稼茹.我國高層建筑抗震設計的若干問題，土木工程學報，1999，Vol.32，No.1，P3.

〔3〕喻永聲，鐘萬勰.復雜高層建筑整體結構抗震分析，建筑結構，1998，No，2，P3.

〔4〕包世華，方鄂華，高層建筑結構設計（第二版），清華大學出版社，1990.22福建建設科技2002.NO.1