關于高層建筑抗震設計分析

摘要：在高層建筑設計中，抗震設計是必不可少的一個環節。隨著社會及經濟的迅速發展，高層建筑越來越被廣泛應用。本文介紹了高層建筑的結構形式及其設計要點，分析了各種結構形式的抗震效果并在此基礎之上闡述結構設計中體系的選擇，闡述了高層建筑抗震設計思想和原則，探討了抗震設計中的細節及抗震材料。

關鍵詞：高層建筑；抗震設計；結構體系

隨著我國經濟的快速發展，高層建筑也越來越多，在這種情況下必須做好抗震設計。設計人員在高層建筑抗震設計中，都是按照抗震結構設計規范進行的，他們希望設計的結構能夠達到強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，為此從結構總體方案設計一開始，就運用人們對建筑結構抗震己有的正確知識去處理好結構設計中遇到的諸如房屋體型、結構體系、剛度分布，構件延性等問題，從宏觀原則上進行評價、鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計算和構造措施，從而消除建筑物抗震的薄弱環節，以達到合理抗震設計的目的。

1、高層建筑抗震設計特點

1.1控制建筑物的側移是重要的指標。在地震荷載作用下，建筑結構所產生的水平剪切力占主導地位，所以建筑物會產生明顯的側移，隨建筑結構的高度不斷曾加，結構的側向位移迅速增大，但該變形要在一定限度之內，這樣才能保證結構安全以及使用功能。

1.2地震荷載中的水平荷載是決定因素。水平荷載會使建筑物產生傾覆力矩，并且在結構的豎向構件中引起很大的軸力，這些都與建筑物高度的兩次方成正比，故隨建筑結構高度的曾加，水平載荷大相徑庭。對高度一定的建筑物而言，豎向荷載基本上是不變的，但是隨著建筑物的質量、剛度等動力特性的不同，水平地震荷載和風荷載的變化是比較大的。

1.3要重視建筑結構的延性設計。高層建筑結構隨著高度增加，剛度減小，顯得更柔，在地震荷載作用下變形較大。這就要求建筑結構要有足夠的變形能力，使結構進入塑性變形階段仍然安全，需要在結構構造上采取有利的措施，使得建筑結構具有足夠的延性。

2、高層建筑抗震概念設計的基本要點

2.1選擇良好的抗震結構體系

高層建筑結構在抗震設計時，應選擇合理的結構類型，設計的結構既要考慮其抗震安全性，也要盡可能的經濟。結構應布置多道抗震防線，避免部分結構或構件失效而導致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力。此外，結構

應擁有良好的整體性和變形能力，使結構的強度、剛度和變形能力三者達到統一。

2.2建筑布置宜規則

高層建筑應重視體形和結構的總體布置。由于建筑體形不合理或結構總體布置不合理而造成的地震災害，在國內外的大地震中都有所見。抗震設計選擇的建筑平面和立面布置宜對稱、規則，避免采用嚴重不規則的結構。結構的剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免有剛度和承載力突然變小的樓層，造成薄弱層的出現，地震時該部分容易破壞。

2.3選擇合理的結構計算簡圖和地震作用傳遞途徑

目前大多數高層建筑都可以利用計算機進行程序運算，為保證計算結構的可靠性，要求工程設計人員要熟練掌握結構的簡化計算方法，得到結構構件在荷載作用下的計算見圖，結構在地震作用下的傳力途徑要簡單、直接，利用合理的力

學模型和數學模型獲得更為符合實際的抗震驗算結果。

2.4選擇有利于抗震的場地和地基

高層建筑設計中要選擇對建筑抗震有利的地段，避開對建筑抗震不利的地段。當無法避開時，應當采取適當的抗震措施，不應在危險地段上建造高層建筑。此外，設計前應估算建筑結構的自振周期，并與場地卓越周期錯開，防止地震

時結構發生類共振現象的破壞。

3、結構體系的合理選擇

地震對建筑物的傷害主要是水平地震力所造成的剪切破壞，所以根據結構體系對抗側力能力的不同，鋼筋砼結構主要可分為框架結構、剪力墻結構、筒體結構等，這也是我國高層建筑長采用的結構形式。由于這些體系的結構形式、抵抗水平力的能力有所區別，尤其是對地震反映大不相同，因此它們適用于不同的場合。

3.1 框架結構

框架結構由框架梁、柱構件組成。其特點是柱網布置靈活，便于獲得較大的使用空間。框架結構的框架梁和柱既承受豎向荷載，又承受水平荷載。當建筑物高度較低、層數相對較少時，其水平荷載對結構的影響不大，這時采用框架結構還是比較合適的，既滿足受力要求，也提供了很大的使用空間。但框架結構側向剛度很小，隨著建筑物高度的曾加，框架結構水平荷載分布呈現出不均勻的現象，有的樓層相對薄弱，很容易屈服。地震荷載對柱子的破壞作用要相對強烈，而對梁的破壞相對較輕，而柱子頂端的破壞比底端要嚴重，特別是對角柱和邊柱來說破壞更加嚴重。短柱的剪跨比較小，發生柱中剪切破壞幾率較大，對一般的柱而言，發生的是柱端彎曲破壞。故框架結構在很高的建筑中應用的不多，尤其是是采用砌體填充墻時，地震荷載作用下填充墻破壞嚴重，

修復費用很高。

3.2 剪力墻結構

剪力墻由縱、橫方向的墻體組成的抗側力體系，屬于以彎曲變形為主的結構體系。該體系的特點是，側向剛度比較大，抗側移能力明顯優于框架結構，而且整體性好，有利于結構整體受力。因此，剪力墻結構可以用于比較高層住宅，性能穩定。但是剪力墻結構也有其自身的缺點。從動力學角度來看，剛度越大周期越短，動力反映就會越強烈，即使建筑結構抗力滿足要求，建筑內設備會產生嚴重破壞；除此之外，剪力墻結構有大量的墻體結構采用鋼筋砼而使得自重大，對建筑平面設計產生很大局限，很難提供足夠大的空間。所以，剪力墻結構主要用于高層建筑并且對建筑空間要求不大的結構中。

3.4 筒體結構體系

筒體結構包括框架 - 核心筒結構與筒中筒結構框架 - 核心筒結構有外框架和內部核心筒組成。內部核心筒具有很大的剛度，很好的滿足側向變形和結構強度要求；外部框架可以提供大空間來滿足建筑布置上對空間的要求。而筒中筒結構是由薄壁的內筒與密柱的外框筒組成，筒中筒結構最大的優點是具有比剪力墻結構更大的側向剛度，抗側移性能更好，所以，適用于超高層建筑。

每種建筑結構的抗震性能和適用的范圍都不相同，并且高度不同采用的抗震等級也不盡相同，具體見表 1 所示。

4、高層建筑抗震設計中材料的選用和結構體系問題

在地震多發區，采用何種建筑材料或結構體系較為合理應該得到人們的重視。中國 150 m以上的建筑，采用的三種主要結構體系（框—筒、筒中筒和框架—支撐體系），都是其他國家高層建筑采用的主要體系。中國鋼筋混凝土結構及混合結構占了 90%。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大地震作用的考驗。在高層建筑中采用框架—核心筒體系，因其比鋼結構的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業主所看中?；旌辖Y構的鋼筋混凝土內簡往往要承受 80%以上的震層剪力，有的高達 90%以上。

由于結構以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規范側移限值；此外，在結構體系或柱距變化時，需要設置結構轉換層。加強層和轉換層都在本層形成大剛度而導致結構剛度突變，常常會使與加強層或轉換層相鄰的柱構件剪力突然加大，加強層伸臂構件或轉換層構件與外框架柱連接處很難實現強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉換層時，要慎重選擇其結構模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。在高層建筑中，應注意結構體系及材料的優選。

現在我國鋼材生產數量已較大，建筑鋼材的類型及品種也在逐步增多，鋼結構的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，建議盡可能采用鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土（柱）結構或鋼結構，以減小柱斷面尺寸，并改善結構的抗震性能。

5、地震作用下高層建筑動力時程分析算例

有一高層建筑高 250m，共 60 層。本文根據其結構設計施工圖建立了質量串有限元數學模型（如圖 1），其中各樓層用三維質量單元進行模擬，而柱、剪力墻等豎向承重構件用梁單元進行模擬。利用有限元動力特性分析模塊計算的結

構 X 向前兩階振型分別是 0.154Hz 和 0.470Hz，Y 向前兩階振型分別是 0.153Hz 和 0.461Hz[5]。本文計算選用的地震波為隨機生成的地震加速度模擬數據（如圖 2 所示），經瞬態動力分析計算得到的結構頂部加速度響應如圖 3 所示。由圖可知，盡管輸入的地震波幅值較小，但由于結構的動力放大效應，仍然導致結構上部出現了較大的動力響應。

6、結論

隨著社會的發展、結構設計理念的創新及施工技術的進步，促使高層建筑往更高的方向發展，其在地震作用下的安全性也變的尤為重要。但由于高層建筑抗震設計屬于繁重而復雜的過程，設計時一定要從概念設計及結構體系兩個方向同時入手，從而獲得即經濟又安全可靠的設計結果。