高層建筑結構的抗震設計探討

劉琨　李凌翔

摘要：近年來，伴隨著我國經濟的快速發展，城市現代化建設的步伐日益加快，對于建設用地要求也越來越迫切，地價的不斷攀升促使了建筑向著高層化演變，在高層建筑不斷的向更高層發展建設中，高層建筑的抗震問題成為了一個核心的話題。

關鍵詞：高層建筑結構；抗震設計

前言

在建筑物高度不斷增加的情況下，建筑物的結構也越來越復雜，而且一些不規則形體建筑也開始出現。在這種情況下，就對建筑物的抗震性能提出了較高的要求，因此，在當前高層建筑中，需要對抗震設計進行重點考慮，從而有效的提高高層建筑的安全性和穩固性。

1 高層建筑結構抗震設計的主要要點

由于地震的不可預知性，高層建筑結構在設計過程中很難準確地預測建筑物所遭遇的地震特性和基本參數，只靠計算很難使高層建筑結構具備良好的抗震性能，這就要求每個結構工程師必須重視建筑結構的抗震概念設計。因此，高層建筑結構在抗震設計中，應注意以下幾點：

1.1 建筑結構的平面布置

建筑結構的平面布置是影響結構抗震的重要因素，合理建筑平面布置對建筑結構設計是至關重要的。大量地震災害表明，平面布置簡單、對稱規則、質量和剛度分布比較均勻并且具有明確傳力途徑的建筑結構在地震時不容易發生破壞。規則結構能較為準確地預估結構的作用效應和地震時的反應，較容易采取有效的抗震措施及相應的結構措施來加強其抗震性能。相反，平面布置復雜、不對稱且不規則的結構，其地震作用效應很難估計的。因此，高層建筑結構中規范規定，宜采用規則結構，不應采用嚴重不規則的結構。

1.2 建筑結構的體系選擇

高層建筑結構設計中，就優先采用具有多道防線的結構體系。例如：框架一剪力墻結構、剪力墻結構和筒體結構。這三種結構可以作為地震區高層建筑的首選體系。當建筑物高度不高且層數不多時，可采用框架結構。但當建筑物位于地震區，且高度均較高時，應避免采用框架結構、板柱剪力墻結構。因為，地震具有強破性且持續時間很長，往復次數較多，能夠對建筑物造成累積破壞。單一的結構體系在遭遇地震時，一旦發生破壞，很容易造成房屋倒塌，危及人們的生命及財產的安全。當結構體系具有多道防線時，當遭遇地震時，第一道防線遭破壞后，后續的防線仍然能抵抗地震的沖擊力，可以最低限度的防止建筑物的倒塌，給人們以充分的時間進行逃生，保證人民的生命安全。因此，高層建筑結構抗震設計中的多道防線是進行抗震設計時所必須設置的。

1.3 結構薄弱層

當建筑結構的側向剛度分布不均勻、豎向抗側力構件不連續和樓層承載力突變時，容易產生薄弱層。薄弱層在地震中是最先遭受破壞的部位。因此，對有明顯薄弱層的結構，應采用相應的抗震構造措施來提高其抗震能力。結構構件的實際承載能力是判斷薄弱層部位的基礎，有意識、有目的地控制薄弱層部位，讓它有足夠的變形能力，而且不使薄弱層發生轉移是提高結構抗震性能的重要手段。

2 高層建筑構設計中的抗震的技術原理

高層建筑構設計中的抗震需要做好兩個方面：一個是建筑結構的隔震；二是建筑結構的減震。

2.1 高層建筑構的隔震技術原理

高超隔震結構設計主要是在在高層建筑物下方設置一種地震時比其他層產生更大水平變形的“隔震層，使得振動能量不容易傳遞到上方建筑物，從而會讓上層建筑物減小與地基出現共振現象，有集中吸收振動能量的作用。具體構件可以分為三個部分：（1）鉛制緩沖構件，這是一種利用高純度的鉛材料的塑性變形而制成構件。（2）鋼制緩沖構件，這是一種利用鋼料的塑性變形，起著衰減振動的作用而制成的構件。（3）疊層橡膠，這是一種將厚度數毫米的橡膠與鋼板兩者交互重疊接合，施加熱與壓力，避免與地基共振，發揮橡膠特有的彈性，保持了垂直方向堅硬而設計的做法。根據高層對建筑不同位置，建筑結構隔震技術又可以分為四種：（1）基礎抗震，這種抗震位置在建筑基礎與上層結構部分之間。裝置通常常是夾層橡膠墊隔震、基底滑移隔震和混合隔震。（2）地基隔震，這種抗震位置設置在建筑基礎下的地基當里，材料通常用砂、糯米和軟粘土，在發生地震時有多次吸收、反復吸收能量波的作用。（3）懸掛隔震，顧名思義就是建筑結構進行懸掛設計和建造的隔震技術。（4）層間隔震，這是一種融合了隔震技術和抗震技術安裝的耗能減震裝置可以吸收地震發生產生的能量，降低建筑結構在地震中反應的強烈。

2.2 高層建筑構的減震技術原理

結構減震目的是有效的控制建筑結構的移位，按照減震方式的不同，高層建筑構減震分為三種方式。

（1）消能減震。該技術是憑借建筑結構附加阻力值的提高達到減弱建筑結構地震反應程度。也就是在結構中某些部位設置耗能元件，會在結構振動變形時使得滯回變形耗散能量，以至于在地震荷載下，不會破壞建筑結構或破壞程度在允許范圍內。能減震裝置的種類是比較多，包括摩擦阻力器粘滯阻力器和塑性阻力器等裝置。一是摩擦阻力器，該阻力器是利用兩塊固體之間相對滑動產生的摩擦來耗散能量。二是金屬阻力器，該阻力器是利用金屬的非彈性變形耗能，而金屬阻力器具體又分為軟鋼阻力器、鉛陰力器、形狀記憶合金阻力器。三是粘滯阻力器，該陰力器是利用豁稠液體的粘性來耗散振動能量。消能減震技術具有迅速衰減結構的地震反應，并保護主體結構和構件免遭損壞，具有非常的安全性。同時還具有非常大的經濟性，消能減震加固方法相比傳統抗震加固方法可以達到節省10%～60%的造價。

（2）蹺動減震。該技術有兩種做法：一是在建筑結構中對于要承受地震能量較大的柱，以及支撐等結構與建筑下部基礎，采取不緊固設計方法。二是在建筑上部結構和下部基礎采取豎向上的不緊固設計方法。

（3）機械減震。該技術是利用建筑結構內部鋼支撐與外包鋼管問的不粘結性，或者是在建筑物的內部用鋼支撐與外包鋼服并在鋼管混凝土上涂抹無粘結漆，以此形成滑移的界面。

3 提高高層建筑抗震性能的結構設計

3.1 優化高層建筑結構設計

高層建筑結構設計首先是地基地質的勘察設計。在復雜地形下對建筑物平面進行布置時，會存在建筑物的質心和鋼心不一樣的現象，使得高層建筑物重心不穩的狀況，尤其是在地震發生中建筑結構就會出現很大的扭曲，造成破壞的加大。所以按照建筑場地地基地質特點與受地震破壞作用的強弱做好分類，遵循形狀規則、豎向均勻和結構對稱的原則，并且根據建筑場地的實際情況做好抗震措施，保證建筑結構的重心保持穩定，如根據地基地質抗震設防類別、地基液化等級方面，采取地基和上部結構整體性剛度的加強措施，避免建筑結構出現頭重腳輕的現象。

3.2 建筑材料合理選擇運用

高層建筑結構材料的選擇在抗震性能方面有關鍵性的影響。在地震時，高層建筑物遭受地震的作用力和建筑結構的剛度往往是成正向比例的，也就是建筑物中重量越大的結構構件，遭受地震的影響也就會越大。所以在對建筑材料進行選擇時，應該選用符合高層建筑抗震要求的工程材料。一方面在確保安全的基礎前提下，建筑屋面構件中用用輕質材料來代替厚重的材料，以此減少建筑結構構件的整體重量，不同材料結構類型性能是不一樣，按照抗震性能多采用鋼結構或型鋼混凝土結構。同時還應考慮材料經濟性和建筑施工過程中質量管理，在注重安全性的同時，也要注重工程建設的經濟效益。

4 結語

近年來我國發生了幾次強烈的地震，這給高層建筑的抗震性能帶來了嚴竣的考驗，從震后的情況分析來看，高層建筑結構在抗震方面表現并不如人意。因此，還需要努力提高高層建筑結構的抗震設計水平，采用科學的抗震設計方法確保設計出來的抗震結構具有較好的先進性，從而努力提高高層建筑的抗震效果，有效地減少地震發生時所給人們生命和財產帶來的損失。