高層建筑結構抗震設計探微

劉 軍 華 彥

（1.大連天工建筑設計有限公司 2.大連潤天房屋開發有限公司）

高層建筑結構抗震設計探微

劉 軍1華 彥2

（1.大連天工建筑設計有限公司 2.大連潤天房屋開發有限公司）

近年來高層建筑越來越流行，但地震等自然災害的多發影響了人們的基本生活和生命財產安全，所以，高層建筑的抗震設計是業內人士極為關注的問題之一。本文對高層建筑結構抗震設計進行了分析。

高層建筑 抗震設計 地震 破壞特點

由于地震作用是一種隨機性很強的循環、往復荷載，建筑物的地震破壞機理又十分復雜，存在著許多模糊和不確定因素，在結構內力分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，計算方法還很不完善，單靠微觀的數學力學計算還很難使建筑結構在遭遇地震時真正確保具有良好的抗震能力。所以，抗震設防是工程設計面臨的迫切任務。首先就應該從高層建筑結構在地震作用下的破壞特點入手。

1.破壞特點

（1）房屋體形方面。①L形、T形、Y形等不規則平面房屋建筑破壞率顯著增高；②有大底盤的高層建筑，裙房頂面與主樓相接處面積突然減小的樓層，即相鄰樓層質量突變較大時，破壞程度加重；③防震縫設置寬度太小導致建筑物間發生碰撞破壞；④樓層平面形心與重心偏移越大，震害越嚴重。

（2）剛度分布方面。①矩形平面布置的建筑結構，電梯井等抗側力構件的布置當存在偏心時，因發生扭轉振動而使震害加重；②采用三角形、L形等不對稱平面的建筑結構，同樣在地震作用因發生扭轉振動而使震害加重。

（3）地基方面。①在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高；②地基土液化導致地基不均勻沉降，從而引起上部結構損壞或整體傾斜；③建造在不利或危險地段的房屋建筑，因地基破壞導致房屋損壞。④當建筑結構的基本周期與場地自振周期相近時，因共振效應破壞程度將加重。

（4）結構體系方面。①采用“填墻框架”的房屋結構，鋼筋混凝土框架結構平面內柱上端易發生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發生短柱型剪切型破壞；②采用框架一抗震墻體系的房屋結構，破壞程度較輕；③采用“底框結構”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴重；采用“填墻框架”體系的房屋，當底層為敞開式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴重破壞；④采用鋼筋混凝土板、柱體系結構的建筑，因樓板沖切或因樓層側移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面。

（5）構件形式方面。①在框架結構中，通常柱的破壞程度重于梁、板；②鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會出現斜向或交叉裂縫；③配置螺旋箍筋的混凝土柱，當層間位移角達到較大數值時，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；④鋼筋混凝土框架如在同一樓層出現長、短柱并用的情況，短柱破壞較為嚴重。

2.抗震設計的方法

2.1 重視結構的均勻性設計

在高層建筑中，結構的均勻性主要體現在以下四個方面：

（1）高層建筑主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度要盡可能的接近、變形特性要比較相似。主要原因是因為實際的高層建筑結構都是三維的，實際的地震作用、風荷載都具有任意的方向性，高層建筑主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度比較均勻，這就就能具有比較良好的抗震和抗風性。

（2）高層建筑主體抗側力結構沿豎向斷面、構成變化比較均勻，不能發生突變。這里主要是指主體結構的層剪切剛度不要突變，這種均勻的高層建筑結構可以避免因薄弱層的破壞而引起的結構整體破壞，尤以強震區的高層建筑結構需特別注意。

（3）高層建筑主體抗側力結構的平面布置，應注意同一主軸方向各片抗側力結構剛度盡可能均勻，還應避免在主體結構的布置中設置一、二片剛度特別大而延性較差的結構，如長窄的實體剪力墻。此時，即使結構仍滿足對稱性和剛度的要求，但由于這個別結構剛度巨大，地震發生時，將首先吸收極大的能量，應力特別集中，容易首先招致破壞，從而引起整體結構的破壞。同一主軸方向的各片抗側力結構剛度均勻，水平荷載作用下應力分布將比較均勻，有利于結構抗震延性的實現。

（4）高層建筑主體抗側力結構的平面布置還應注意中央核心與周邊結構的剛度協調均勻，保證主體結構的剛度協調均勻，保證主體結構具有較好的抗扭剛度，以避免高層建筑在地震或風的扭矩作用下產生過大的扭轉變形，從而引起結構或非結構構件的破壞。

2.2 合理選擇建筑結構體系

高層建筑結構體系選擇是結構設計應考慮的關鍵問題，結構方案的選取是否合理，對安全性和經濟性起決定的作用。

結構體系宜有多道抗震防線。框架一剪力墻結構是具有良好性能的多道防線的抗震結構，其中剪力墻既是主要抗側力構件又是第一道抗震防線。因此，剪力墻應有相當數量，其承受的結構底部地震傾覆力矩不應小于底部總地震傾覆力矩的 50%。同時，為承受剪力墻開裂后重分配的地震作用，任一層框架部分按框架和墻協同工作分配的地震剪力，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倍兩者的較小值。剪力墻結構中剪力墻可以通過合理設置連梁(包括非建筑功能需要的開洞)組成多肢聯肢墻，使其具有優良的多道抗震防線性能。再就是連梁的剛度、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。一般情況下，聯肢墻宜采用弱連梁。

合理的高層建筑主體抗側力結構剛度以滿足和略大于規范限值即可，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。單純靠加大結構截面尺寸來加大剛度，有時會適得其反，如果配筋構造等措施沒有相應跟上，反而會造成結構的隱患，多花了材料、成本，反而損壞了結構的延性和安全度。

總之，框架的抗震設計應使梁、柱端的塑性鉸出現得盡可能分散，充分發揮整個結構的抗震能力。框架一剪力墻結構和剪力墻結構中剪力墻的各墻段的高寬比不宜小于2，使其呈彎剪破壞，且塑性屈服也宜產生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發揮抗震作用前不失效。

3．結束語

現代城市的發展促使高層建筑的不斷增多，抗震結構設計也顯得越來越重要。高層建筑結構的抗震設計方法和技術是不斷變化和進步的，我們需要在具體的實踐中對高層建筑所處的地質和環境進行詳細的分析和研究，選用適合的抗震結構，注重建筑結構材料的選擇，減小地震的作用力，增強地震的抵抗力，從而達到高層建筑抗震的目的。

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[3] 李繼凱. 高層建筑抗震設計問題及改善措施[J]. 黑龍江科技信息. 2011(24) .

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