高層建筑抗震設計要點分析

張鑫

【摘 要】高層建筑抗震工作一直是建筑設計和施工的重點。本文介紹了高層建筑抗震設計的基本原則，具體分析了高層建筑的抗震設計要點。

【關鍵詞】高層建筑；抗震設計；要點

Analysis on Key Points of Seismic Design of High - rise Buildings

Zhang Xin

（Shenzhen Warner International Architectural Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】High-rise building seismic work has always been the focus of architectural design and construction. This paper introduces the basic principles of seismic design of high - rise buildings， and analyzes the seismic design of high - rise buildings in detail.

【Key words】High - rise building；Seismic design

抗震設計是根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構的總體布置并確定細部構造的過程，是結構工程師運用“概念”進行分析，做出判斷，并采取的相應措施，是工程結構設計人員從宏觀上、總體上和原則上去決策和確定高層結構設計中的一些最基本、最關鍵的問題。高層建筑抗震工作一直是建筑設計和施工的重點，應對建筑抗震設計進行必要的分析，探索高層建筑的抗震設計要點，從而采取必須的抗震措施。

1. 高層建筑抗設計的基本原則

1.1 結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能。

（1）結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱（墻）”的原則。

（2）對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。

（3）承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

1.2 盡可能設置多道抗震防線。

（1）一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協同工作。例如框架——剪力墻結構由延性框架和剪力墻兩個分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。（2）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倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。（3）適當處理結構構件的強弱關系，同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長階段，保證結構的延性和抗倒塌能力。（4）在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的其他部位相對薄弱，因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大帶小，改變抗側力構件配筋的做法，都需要慎重考慮。

1.3 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。

（1）構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。（2）要使樓層（部位）的實際承載能力和設計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層（部位）的比值有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。（3）要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協調。（4）在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層（部位），使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。

2. 高層建筑抗震設計要點

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?？拐鹪O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 選擇合理的結構類型。

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，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。高層建筑有上述的受力特點，因此設計中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實可行的結構類型，使之在特定的物資和技術條件下，具有良好的結構性能、經濟效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結構類型主要有鋼結構和鋼筋砼結構。鋼結構具有整體自重輕，強度高、抗震性能好、施工工期短等優點，并且鋼結構構件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結構。其缺點是造價相對較高，當場地土特征周期較長時，易發生共振與鋼結構相比，現澆鋼筋砼結構具有結構剛度大，空間整體性好，造價低及材料來源豐富等優點，可以組成多種結構體系，以適應各類建筑的要求在高層建筑中得到廣泛應用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時易發生共振。因此，高層建筑采用何種結構形式，應取決于所有結構體系和材料特性，同時取決于場地土的類型，避免場地土和建筑物發生共振，而使震害更加嚴重。

2.5 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。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，設計時一定要從從抗震設計的基本原則、計算方法、理論分析及設計分析四個方向入手，從而獲得即經濟又安全可靠的設計結果。

2.6 提高結構的抗震性能。

（1）由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能通過合理的抗震設計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒為了達到這一要求，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量，減弱地震破壞的影響。

（2）框架結構設計應使節點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁、柱端的塑性鉸出現得盡可能分散，充分發揮整體結構的抗震能力為了保證鋼筋砼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”的原則進行設計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構造配筋要求，特別是要加強節點的構造措施。