高層建筑抗震設計技術分析

余勇

地震是一種破壞性很大的自然災害，一次大地震的發生，往往會造成人員大量傷亡、財產巨大損失。世界各國在高層建筑的抗震設計方案中，采取了許多新技術，出現了很多新結構，我國在2010年實施的《建筑抗震設計規范》和2011年實施的《高層建筑混凝土結構技術規程》，對高層建筑的抗震設計的新規定作出分析。

引言

我國地域內所發生的地震，絕大部份屬于這種“構造地震”的類型。由火山爆發所產生的“火山地震”或因巖洞崩塌、局部地面陷落所引起的地震，在我國很少發生。

許多國家在高層建筑的抗震設計方案中，已經出現了新的結構。如美國紐約的高層建筑物，建在于基礎分離的98個橡膠彈簧上，日本的建在弧型鋼條上防地震建筑物，明顯的在建筑結構體型上，改變了傳統的插入式剛箍捆住內力的結構體系。

在2010年12月1日施行的《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）和2011年10月10日開始施行的《高層建筑混凝土結構技術基礎》（JGJ 3-2010）是綜合了各國高層建筑設計的成功經驗，同時結合我國地震災害的特點，對我國高層建筑設計提出了新的標準和要求。

世界抗震設計經驗

1.美國抗震措施

美國是一個地震較多的國家，其西海岸重要城市洛杉磯正好處在環太平洋地震帶上，而整個加州也是全球地震高發地區之一。高層建筑的抗震問題以及如何將地震帶來的損失降到最低，一直是人們密切關注的問題。其中關于高層建筑的一些抗震措施。

（1）控制高層建筑的層高

在地震頻發的洛衫磯市，除了市中心作為地標建筑的一些超高層建筑，其余地段均是多層低層建筑。尤其值得注意的是在土層薄弱和不利地段加州政府通過立法禁止建造高層建筑。對于高層建筑而言，地震力和風力是控制荷載，且都是水平作用力，層高過高，對建筑抗震和抗風都十分不利。控制在地震區域的建筑層高，是有效降低震害的手段之一。

（2）選用輕質建材

美國大部分地區均是低層建筑，且均是木結構，圍護材料和隔墻也多采用石膏板、刨花板等輕質板材。采用輕質建材的建筑，在地震力作用下，自身結構受到更小的影響，且即使受到破壞，較輕的建材也能有效減輕造成的二次破壞。

（3）選用高強度高延性建材

美國另一重要的防震措施是在高層建采用鋼結構，而低層建筑就采用木結構。鋼材與木材都是高延性的材料，具有足夠的柔度。在地震發生時，可以通過自身變形消耗掉地震能量，在抗震要求更高的超高層建筑中，則添加上阻尼減震器，也可以大大提高建筑的延性和抗震性能。

2.日本抗震措施

日本全島都處在地震頻發區域，每年都會發生約1000余次地震，在高層建筑防震抗震方面，有豐富的經驗。

（1）提高建筑物的強度和剛度

日本的高層公寓很多，大部分的住戶在購買公寓中都會特別看重抗震設計水平。號稱日本第一高層公寓的大樓中，采用了與美國世貿大廈相同的鋼管，其抗震性能主要來源于采用高強度高剛度的優質建材，確保了建筑物的抗爭性能，也是公寓能得以暢銷的重要原因

（2）選用橡膠材料加強延性

日本東京的一些超高層建筑都進行了嚴密的抗震設計，其中一個重要措施就是在建筑外圍使用高強度的橡膠作為基底材料，同時在建筑中心也選用天然橡膠作為基層，提高了建筑物的抗震性能。

（3）“局部浮力”抗震系統

近年來日本新研制了“局部浮力”抗震系統，將建筑物的上層結構與基礎部分分離開，采用這種“局部浮力”系統進行連接，借助水的浮力來加強建筑整體的延性，其工作原理大體上與阻尼減震系統和橡膠減震系統類似，但據報告有更好的抗震效果。

新增條款的意義分析

《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術基礎》新增了若干條款，本文列出對抗震設計影響較大的條款進行分析。

1. 新增的通用條款

（1）抗震設計的高層建筑混凝土結構，當其房屋高度、規則性、結構類型、場地條件或抗震設防標準等有特殊要求時，可采用結構抗震性能設計方法進行分析和論證。

此條款明確了在高層建筑設計中，抗震設計的核心地位，高層建筑采用抗震性能設計已形成一種發展趨勢。

（2）樓層質量沿高度宜均勻分布，樓層質量不宜大于相鄰下部樓層質量的1.5倍。

此條規定限定了荷載沿豎向的不規則分布，可有效地降低震害，明確了高層結構設計的標準。

（3）增加了結構抗連續倒塌設計基本要求。安全等級為一、二級時，應滿足抗連續倒塌概念設計的要求。安全等級為一級且有特殊要求時，可采用拆除構件方法進行抗連續倒塌設計。

連續倒塌是指結構因突發事件或嚴重超載而造成局部結構破壞失效，繼而引發與失效破壞構件相連的構件連續破壞，最終導致相對于初始局部破壞更大范圍的倒塌破壞。在高層建筑抗震設計中，對上部結構進行連續性倒塌分析時，其首先要保證下部基礎不會發生破壞，加強結構基礎設計是整個設計工作的根本。

2.修訂條款的意義分析

（1）明確將扭轉位移比不規則判斷的計算方法，改為“在規定的水平力作用下并考慮偶然偏心”，以避免位移按振型分解反應譜組合的結果，有時剛性樓蓋邊緣中部的位移大于角點位移的不合理現象。

（2）根據汶川地震的經驗，提高了框架結構中框架柱的內力調整系數，而其他各類結構中框架柱的內力調整系數保持不變。

框架結構柱的最小截面尺寸，除不超過2層和四級外，比舊版增加100mm；柱縱向受力鋼筋的最小總配筋率比一般框架增加0.1%、最大軸壓比控制比舊版加嚴0.05。

（3）根據汶川震害調查，將防震縫的最小寬度由70mm提高到100mm。

相鄰結構在地震過程中的碰撞是導致結構損壞甚至倒塌的主要原因之一。為防止建筑物在地震中相碰撞，防震縫必須留有足夠的寬度。原則上防震縫凈寬應大于兩側結構允許的地震水平位移之和。

結語

在預報地震相對無法實現的情況下，高層建筑采取必要的抗震設防措施，保證建筑物可以做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”，便可以有效地減少地震造成的損失。

（作者單位：四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司）