淺析高層建筑結構抗震設計的常見問題

熊偉

【摘 要】由于我國處于地震多發區，高層建筑抗震設計是工程設計面臨的迫切任務。本文對 高層建筑結構抗震分析和設計的主要內容進行了簡要介紹，主要分析了我國高層建筑抗震設 計中常見問題以及解決方法，最后結合工程實踐介紹了抗震分析與設計的新趨勢。以供建筑 結構抗震設計人員參考。

【關鍵詞】高層建筑結構；抗震設計； 問題；趨勢

A Brief Analysis on the Common Problems of Seismic Design of High - rise Building Structures

Xiong Wei

（Hangzhou Jingwei Architectural Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】As China is in earthquake-prone areas， high-rise building seismic design is the urgent task facing engineering design. In this paper， the main contents of seismic analysis and design of high-rise building structures are briefly introduced. The common problems and solutions of seismic design in high-rise buildings are analyzed. Finally， the new trend of seismic analysis and design is introduced. For building structural seismic design personnel reference.

【Key words】And Rhitheric composition compositions；Decision Us Results Avitherigma walks；Decision32ETs.

1. 前言

高層建筑的結構體系是隨著社會生產的發展和科學技術的進步而不斷發展的。高層建筑 不僅在材料和結構體系上逐漸多樣化，而且在高度上也大幅度增長。進入上世紀 90 年代后， 結構抗震分析和設計已提到各國建筑設計的日程。特別是我國處于地震多發區，高層建筑抗 震設防更是工程設計面臨的迫切任務。作為工程抗震設計的依據，高層建筑抗震分析處于非 常重要的地位。

2. 高層建筑結構的特點

高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構，垂直荷載主要使結構產生軸向力與建筑物高 度大體為線性關系；水平荷載使結構產生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑 物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來自任何方向，當為均布荷載時，彎矩與建筑物高 度呈二次方變化。從側移特性看，豎向荷載引起的側移很小，而水平荷載當為均布荷載高層 混凝土建筑抗震結構設計探析陳天華機械工業第四設計研究院建筑設計一院 471039 時，側 移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結構中，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷 載的影響，水平荷載是結構設計的控制因素，結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應 力和壓應力應有較大的強度外，同時要求結構要有足夠的剛度，使隨著高隨著高度增加所引 起的側向變形限制在結構允許范圍內。

3. 高層的結構體系選擇

（1）高層建筑結構應根據建筑使用功能、房屋高度和高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度、 場地類別、地基情況、結構材料和施工技術等因素，綜合分析比較，選擇適宜的結構體系。 高層建筑鋼筋混凝土結構可采用框架、剪力墻、框架—— 剪力墻、筒體和板柱——剪力墻結構體 系。 框架結構可為建筑提供靈活布置的室內空間。當建筑物層數較少時，水平荷載對結構的 影響較小，采用框架結構體系比較合理；框架結構屬于以剪切變形為主的柔性結構，使用高 度受到限制，主要用于非抗震設計和層數相對較少的建筑中。剪力墻結構中，剪力墻沿橫向、 縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎 曲變形為主的剛性結構。該種結構的抗側力剛度大，在水平力作用下側向變形小，空間整體 性好。但剪力墻結構自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內部大空間的要求。因 此更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數量， 也可使室內無外露梁柱，達到整體美觀。

（2）框架——剪力墻結構是指在框架結構中的適當部位增設一些剪力墻，是剛柔相結合的結 構體系，能提供建筑大開間的使用空間，是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結構體 系中，框架和剪力墻共同承擔水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須 通過各層樓板使其變形一致，達到框架和剪力墻的協同工作。從受力特點看，剪力墻是以彎 曲變形為主，框架是以剪切變形為主，由于變位協調，在頂部框架協助剪力墻抗震，在底部 剪力墻協助框架抗震，其抗震性能由于較好地發揮了各自的優點而大為提高。因此可以適用 于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。

板柱——剪力墻結構，由于在板柱框架體系中加入了剪力墻或井筒，主要由剪力墻構件承 受側向力，側向剛度也有很大的提高。這種結構目前在 7、8 度抗震設計的高層建筑中有較 多的應用，但其適用高度宜低于一般框架——剪力墻結構。

4. 高層結構的布置

在高層一個獨立的結構單元內，宜使結構平面形狀簡單、規則、剛度和承載力分布均勻。 豎向體型宜規則均勻，避免有過大的外挑和內收。結構的側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變 化，不應采用豎向布置嚴重不規則的結構。并應符合下列要求：

（1）應具有必要的承載能力、剛度和變形能力；

（2）應避免因部分結構或構件的破壞而導致整個結構體系喪失承受重力、風荷載和地震 作用的能力；

（3）對可能出現的薄弱部位，應采取有效措施；

（4）結構的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉效 益具有多道抗震設防。

（5）宜有多道抗震防線。

5. 現行規范抗震分析與設計的內容

（1）我國現行抗震規范要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下， 按反應譜理論 計算地震作用， 用彈性方法計算內力及位移， 并用極限狀態方法設計構件。對于重要建筑或 有特殊要求時， 要用時程分析法補充計算， 并進行罕遇地震作用下（ 大震） 的變形驗算。這 種先用多遇地震作用進行結構設計， 再校核罕遇地震作用下結構彈塑性變形的方法， 即二 階段設計方法。同時規范還規定了結構在罕遇

（2）地震作用下的彈塑性變形的結構彈塑性分析方法。

（3）結構彈塑性分析可分為彈塑性動力分析和彈塑性靜力分析兩大類。彈塑性動力分析， 采 用桿模型和層模型等簡化的結構計算模型。桿模型計算的優點是可以得到桿件狀態隨時間的 變化過程， 也可得到各樓層的反應。但耗時多、費用昂貴、結果數據量大且分析比較繁冗， 在 國外也極少采用。層模型計算能得到各樓層的反應， 例如層剪力、樓層側移和層間轉角、層 間位移延性比等， 它主要是從宏觀上即層間變形檢驗結構在大震作用下的安全性。層模型計 算的數據相對較少， 適宜于進行宏觀檢驗， 也便于計算多條地震波作用。但無論是采用桿模 型還是層模型進行彈塑性時程分析， 計算結果受地震波的影響較大且不存在唯一答案， 有 時難以判斷。

6. 我國高層建筑抗震設計中常見問題及其對策

（1）高度問題。

按我國現行高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3- 2010）規定，在一定設防烈度和一定 結構型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個適宜的高度。這個高度是我國目前建筑科研水平、 經濟發展水平和施工技術水平下，較為穩妥的，也是與目前整個土建規范體系相協調的。可 實際上，已有許多混凝土結構高層建筑的高度超過了這個限制。對于超高限建筑物，應當采 取科學謹慎的態度：一要有專家論證，二要有模型振動臺試驗。 在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態會發生很大的變化。因為隨著建筑物高 度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍，如安全 指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。

（2）較低的抗震設防烈度。

現在許多專家學者提出，現行的建筑結構設計安全度已不能適應國情的需要，認為我國 “取用了可能是世界上最低的結構設計安全度”，并主張“建筑結構設計的安全度水平應該 大幅度提高”。此外，對于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個抗震設計原則，在新形 勢下也有重新審核的必要。我國現行抗震設防標準是比較低的，中震相當于在規定的設計基 準期內（50 年）超越概率為 10%的地震烈度。我國建筑結構抗震設計除了設防烈度較低外， 具體抗震計算方法和構造規定的安全度也不如國外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等 一系列保證抗震延性的要求上遠不如國外嚴格。隨著社會財富的增長，結構失效帶來的損失 愈來愈大，加之結構造價在整個投資中的比例下降，因而有人主張結構在設防烈度下應該采 用彈性設計。

（3）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。我國 150m 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。但國外，特別在地震區，是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝 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。混合結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。在超過一定高度后，由于鋼結構質量較小而且較柔，為減小風振而 需要采用混凝土材料，鋼骨（鋼管）混凝土，通常作為首選。日本阪神地震震害說盟，在鋼 骨混凝土構件中，采用格構式的型鋼時，震害嚴重，采用實腹式的大型型鋼或焊接工字鋼的， 則震害輕微。因此，在高層建筑結構中，若用鋼骨混凝土構件，建議采用后者。

（4）軸壓比與短柱問題。

在鋼筋混凝土高層建筑結構中，往往為了控制柱的軸壓比兩使柱的斷面很大，而柱的縱 向鋼筋卻為構造配筋。即使采用高強混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比 是為了使柱子處于大偏壓狀態，防 IE 受拉鋼筋未達屈服而混凝土被壓碎，柱的塑性變形能 力小，則結構的延性就差。當遭遇地震時，耗散和吸收地震能量少，結構容易被破壞。但是 在框架中若能保證強柱弱梁設計，且梁具有良好延性，則柱子進入屈服的可能縫就大大減少， 此時可放松軸壓比限值。另外，許多高層建筑底部幾層柱雖然長細比小于 4，但并不一定是 短柱。因為確定是不是短柱的參數是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2 的柱才是短柱。 我國建筑結構抗震設計除了設防烈度較低外，具體抗震計算方法和構造規定的安全度也 不如國外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上遠不如國外 嚴格。隨著社會財富的增長， 結構失效帶來的損失愈來愈大， 加之結構造價在整個投資中的 比例下降，因而有人主張結構在設防烈度下應該采用彈性設計。

7. 抗震分析與設計的新趨勢

（1）基于性能的結構抗震設計現場理論 PBD（Performance- based Design） 方法。

上世紀 90 年代美國學者 Bertero.R 和 Bertero.V.V 等研究人員首先明確提出了基于性 能的抗震設計概念， 這種方法主要是將結構的性能目標轉化為破損指標和位移需求， 并且 對基于性能的抗震設計進行了持續的研究， 并將其作為新一代的抗震設計方法。

（2） 材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析。

該方法從結構整體性能出發， 改變過去對結構抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定 性而忽略了其他多種不確定因素， 綜合考慮了材料參數的變異性， 地震烈度的隨機性， 烈 度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。研究成果可用于對現有的結構進行 抗震可靠度評估， 并可用于指導基于可靠度理論的結構抗震設計。

（3） 動力時程響應分析的狀態空間迭代法。

這種方法把現代控制理論中的狀態空間理論應用到高層建筑結構動力響應問題。根據結 構動力方程， 引入位移與速度為狀態變量， 導出狀態方程， 給出非齊次狀態方程的解， 進 而建立狀態空間迭代計算格式。經工程實例驗算， 具有較高精度。特別對多自由度體系的多 輸入、多輸出等問題的動力響應解法， 效率較高。

（4）隔震和消能減震設計的推廣和應用

目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震結構體系是“延性結構體系”，即適當控制結 構物的剛度，但容許結構構件（如梁、柱、墻、節點等）在地震時進入非彈性狀態，并目具 有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應，使結構物“裂而不倒”。這種體系，在很 多情況下是有效的，但也存在很多局限性。隨著社會的不斷發展，對各種建筑物和構筑物的 抗震減震要求越來越高，使“延性結構體系”的應用日益受到限制，傳統的抗震結構體系和 理論越來越難以滿足要求，而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統抗震體系所難以比 擬的優越性，在未來的建筑結構中將得到越來越廣泛的應用。

8. 結語

經濟與安全的關系，是結構抗震設計的重要技術政策。從長遠觀點看，如何從我國高層 建筑抗震設計現狀及國際高層建筑抗震設計發展的趨勢出發，探求一種實用可行的二步或三 步設防的合理抗震分析設計方法，應該成為地震區高層建筑發展的新方向。