高層建筑結構抗震設計優化措施探討

■趙永宇

（濰坊市地震局山東濰坊261061）

高層建筑結構抗震設計優化措施探討

■趙永宇

（濰坊市地震局山東濰坊261061）

汶川地震這場巨大災難引發的嚴重傷亡和財產損失，引發了高層建筑抗震設計的焦點問題，高層抗震設計受到了世界各國學者的廣泛關注本文探索性的提出具體的抗震設計優化策略和方法，憧憬新型材料的開發和廣泛的應用。

高層建筑結構 抗震設計 優化措施

1　高層建筑抗震設計的必要性

20世紀70年代以來，高層建筑結構工程師在總結歷次地震災害的經驗中逐漸認識到概念設計的重要性。抗震概念設計就是運用人們對建筑結構抗震已經通過實驗或理論證實過的理念去解決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，從宏觀上進行鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計算和構造模型，從而減輕建筑物抗震性能差的缺點，以達到合理抗震設計的目的。概念設計要求工程師擁有明銳的思維和快速的決策能力，分析大量地震災害造成損失的原因，得出的高層建筑結構抗震經驗理論，從客觀上確定結構設計中的基本問題。因此，工程師必須了解高層建筑結構受地震影響的特點，振動中結構的受力特征，用正確的理念來指導概念設計，才會獲得成功。

2　高層建筑結構抗震的優化策略

在對高層建筑結構的抗震設計中，從概念設計、抗震驗算及構造措施等三方面入手，在抗震過程中以預防為主，建立設計高層建筑地震力與結構延性相互影響的雙重設計指標和方法，使得高層建筑在地震中有良好的抗震性能。抗震設計的延性要求也是高層建筑設計中的重點，抗震設計的延性要求是指一個建筑物超出彈性極限后，還保有塑性承載力使房屋可隨著地震搖晃而又沒有整體方面的破壞。高層建筑結構設計要求高層建筑既要有一定的局部屈服度又要有整體結構的整體性能。

2.1城市高層結構抗震優化設計的新方法

2.1.1選擇合理的結構體系。抗震結構體系是由若干個延性較好的分體系組成，并由他們之間的連接物構成一個整體協同工作。所以選擇結構合理，協同程度高的分體系是高層建筑結構具有優良抗震性能的第一步。

2.1.2減小地震能量的輸入和設置消能減震構件。強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致整體倒塌。主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，有意識地建立一系列分布的屈服區，以使結構能吸收和耗散大量地震能量，提高結構抗震性能，避免小震震不停，大震整體倒塌的悲劇。

2.1.3控制地震的扭轉效應，并且對層間位移加以限制。建筑的質量和剛度變化要均勻，才能在水平地震中發生扭轉震動，避免設計時對質量和剛度分布不連續情況的發生。

2.1.4適當處理結構構件的強弱關系。同一樓層內使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，可以使有效屈服保持一段時間，保證高層建筑工作人員有時間維護和修葺，增加結構的延性和抗倒塌能力。在抗震設計中高層建筑中，若某一部分結構設計超強，可能造成其他結構薄弱，因此在設計以強代小這樣的結構時或改變抗側力構件配筋時，需要在專業人員指導下進行操作。

2.1.5保證樓蓋的整體性。每層樓蓋都會起到充當水平隔板的作用，所以我國抗震規范建議鋼結構的樓蓋宜采用壓型鋼板現場澆筑鋼筋凝土組合樓板，或者采用非組合樓板構建高層建筑物，對超過12層的鋼結構，必要時可設置水平支撐。

2.2高層建筑抗震結構中抗側力體系的優點

對于高層建筑樓來說，剛性比柔性好，采用剛性結構方案的高層建筑樓，在有地震災害時，不僅主體結構破壞輕，而且由于地震時的結構變形小，隔墻、圍護墻等非結構部件將得到保護，破壞也會減輕。提高高層建筑結構的超靜定次數，在地震災害來臨時，能夠出現的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結構就愈能經受住較強地震而不倒塌，可以有效增加高層建筑結構體系的抗震性能，有效抵制地震災害帶來的損失。

2.3我國高層建筑結構體系

我國高層建筑中常采用的結構體系有:框架、框架～剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系，雖然這也是其他國家高層建筑采用的主要體系，但國外，地震頻發地區，是以剛結構為主，而在我國不論是否地震頻發區，鋼筋混凝土結構都占主導地位。鋼結構同混凝土結構相比，具有優越的強度、韌性和延性，強度重量比，總體抗震性能比混凝土結構好，抗震能力強，但是鋼筋混凝土結構的抗震性并不是鋼結構和混凝土結構的疊加，反而會減弱鋼結構的抗震性能。震害調查表明，鋼結構較少出現倒塌、大面積損壞情況，而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，又減少了柱子斷面，故常被業主所看中。

3　新型高性能材料的選取

目前，材料的選用在地震多發區得到了人們的重視。現在我國鋼材產量已居世界前列，建筑鋼材的類型及品種也在逐漸增多，鋼結構的加工制造能力已有了很大提高，混凝土材料也有重大發現，混凝土的性能也有很大提高。因此在有條件的地方，建議盡可能采用以新型混凝土和高強度鋼筋為中心，搭建高層建筑物骨架；采用以鋼管為骨架的鋼管混凝土結構；或者可以搭建鋼結構高層建筑而使用混凝土。改善的重點是減小柱斷面尺寸，并改善高層建筑結構的抗震性能。在高層建筑結構中，由于鋼結構質量較輕，為減小風振需要采用混凝土材料，鋼筋混凝土材料才會作為首選。工程經驗表明:利用鋼管混凝土承重高層建筑物的自重可減輕至65%，柱截面會減小，實際使用面積會增加；鋼材總體消耗與鋼筋混凝土結構大體相同，但是與鋼筋混凝土結構相節約15%工程造價，減少等待混凝土凝固的時間，工程施工工期可縮短1/2。

4　結束語

高層抗震結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程，隨著高層建筑水平技術全方位趨于成熟時，其抗震設計技術水平必然不斷提高，高層建筑設計方案也會越來趨于科學化和合理化，再加上各種新型材料不斷開發和應用在高層建筑中，高層建筑的抗震性能必然有一定的保證性，有效提高高層建筑的穩定性和安全性。

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1000～405X（2016）～4～421～1