基于抗震考慮的高層建筑結構設計要點分析

梁文輝

（國策眾合（北京）建筑工程設計有限公司太原分公司 030024）

1 影響高層建筑抗震效果的相關因素

1.1 擬建場地的選擇

地震作用是由于大地的運動引起建筑物結構的動態作用，當這種動態作用超過建筑物的水平抗力時，建筑物就會遭到破壞。因此，減輕地震破壞的第一道工序就是選擇抗震有利的場地。比如，擬建場地應避開活動斷裂段，避開容易引發滑坡和崩塌的地段。另外，對于極易引發水災和海嘯等次生災害的不利地段也應避開。

1.2 高層建筑結構使用的原材料和施工工序

高層建筑的抗震效果與建造過程中使用的原材料有著直接的影響，一般來說，所采用原材料的質量越好、性能越好，地震作用力對建筑物的破壞和影響就越小；反之，在遭受同等地震作用力時，采用質量較差、性能較差原材料的建筑物極易遭到破壞。基于抗震考慮的高層建筑在施工中盡量選擇空心磚，塑料板材以及加氣混凝土板等質量較輕的材料，這些材料對提高建筑物抗震性能非常有利。

高層建筑的抗震效果與施工過程中的每個環節、每道工序也是息息相關的，因此我們在施工現場應高度重視施工中各個工序的管理工作，嚴格按照設計圖紙和相關規范科學合理地安排每一個施工環節，確保建筑的工程質量滿足抗震設計的要求。

1.3 高層建筑自身結構設計

我們把高層建筑可以看作是固定在地面上的一個懸臂結構，它一方面受垂直荷載作用，另一方面受水平荷載作用。其中，垂直荷載使結構產生軸力，其大小與建筑物高度基本呈線性關系；水平荷載使結構產生彎矩，其大小與建筑物高度基本呈二次方變化。一般情況下，對地震作用效應影響較大的是水平荷載，高層建筑抗震結構設計首先要保證建筑物的結構要有較大剛度。高層建筑結構設計的主要矛盾就是抗水平力，我們應根據抗震等級和水平荷載的分布設計采用不同的結構體系。

高層建筑一般采用鋼結構或鋼筋混凝土結構，其二者各有其特點。其中：鋼結構具有自重輕、抗震性能好、強度高、延性好以及施工工期短等優點，其缺點是造價要比鋼筋混凝土結構高。當場地地基土的特征周期較長時，地震時極易引發共振，造成更大的破壞；鋼筋混凝土結構具有剛度大、造價低、整體性好、承載能力大等優點。其缺點是結構自重大、抵抗塑性變形的能力相對較差。因此，鋼結構一般用于柔性結構，鋼筋混凝土結構一般用于控制塑性變形的剛性結構。

2 基于抗震性能的高層建筑結構設計要點分析

基于抗震性能的高層建筑結構設計要點分析主要包括：結構抗震設計計算、抗撞墻和防震縫的設計、各種建筑結構的破壞機制的設計等，下面我們著重從這三方面進行詳細的分析評價：

2.1 結構抗震設計計算要點

基于抗震性能的高層建筑結構設計的結構抗震設計計算要滿足如下要求：

（1）在進行彈性和非線性的分析計算中，要合理正確地選擇結構整體計算模型，以及構件和節點的計算參數。

（2）在對具有水平轉換構件的結構抗震設計計算中，對不落地柱和墻體的轉換梁以及框支梁的相鄰層計算層數和層高要注意區分清楚，要正確劃分轉換厚板有限元的類型。

（3）對剪力墻抗震設計計算，要正確選擇非線性分析中的計算模型和各種計算參數；對采用滑動支座的結構進行大震下的抗震設計計算，采用的計算模型應考慮支座兩側結構的相互作用和影響；對平面尺寸凹凸不規則，以及平面內局部開設大洞口的結構進行抗震設計計算時，應根據開設洞口大小、數量和分布位置以及抗側力構件的布置形式等合理建立計算模型。

（4）要正確合理選擇分片剛性樓蓋和整體非剛性樓蓋的結構抗震設計計算模型，比如樓板在大震下不能處于基本彈性狀態時，要先研究出合理的計算模型后再進行抗震設計驗算。

（5）對于采用了消能減震措施的結構，在進行抗震結構設計計算時要合理選擇構件和整體結構的有效阻尼比，另外要注意節點和構件的計算參數對整體結構計算的影響。

（6）對于結構體系復雜，難以準確反映各構件受力狀態的抗震結構設計，應采用各種不同的力學模型進行設計計算，然后予以分析對比；另外，有時還需要進行對應的模型試驗來確定計算的可信程度。

2.2 鋼筋混凝土結構防震縫與抗撞墻的設計要點

2.2.1 防震縫的設計要點

防震縫的寬度既不能太大，也不能太小。如果防震縫的寬度太小，在強烈地震下相鄰結構就會發生局部碰撞而損壞；如果防震縫寬度過大，就會給建筑物的立面處理帶來困難。因此，建筑抗震設計規范中對抗震縫的最小設計寬度給予了相關規定。防震縫可以結合沉降縫貫通到地基，無沉降問題時也可從地下室頂到屋頂貫通，無需貫通至地基。

2.2.2 抗撞墻的設計要點

在Ⅷ度和Ⅸ度區，框架結構房屋防震縫兩側層高相差較大時，應在防震縫兩側房屋的盡頭沿全高設置垂直于防震縫的抗撞墻。一般來講，每側的抗撞墻的數量不少于兩道，且應對稱布置。抗撞墻的長度不應大于層高的一半，以避免產生較大的扭轉效應。

2.3 結構破壞機制條件下的設計要點

2.3.1 框架結構的設計要點

為充分發揮框架結構整體的抗震能力，在結構破壞機制下較合理變形模式為：保證框架節點基本不遭到破壞，而梁的屈服要比柱的屈服早發生和多發生；在同一樓層中，要保證各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底塑性鉸要最晚發生變形，且梁端和柱端的塑性鉸發生變形不宜集中。

2.3.2 框架-抗震墻結構的設計要點

框架-抗震墻結構中梁的寬度不應大于墻的厚度，否則在強震的作用下就會發生剪切破壞。連梁要保證有足夠的變形能力，梁端發生塑性屈服變形，保證墻段在充分發揮抗震作用前時不失效。

2.3.3 板柱-抗震墻結構的設計要點

板柱節點應進行沖切承載力的抗震驗算，且應計入不平衡彎矩引起的沖切。為了防止強震作用下樓板脫落，穿過柱截面的板底兩個方向的鋼筋的受拉承載力應滿足該層樓板重力荷載代表值作用下的柱軸力設計值，一般來講，抗剪栓釘的抗沖切效果優于抗沖切鋼筋。

2.3.4 框架-核心筒結構的設計要點

框架-核心筒結構的核心筒與周邊框架之間采用梁板結構時，各層梁對核心筒有一定的約束，可不設加強層，梁與核心筒連接應避開核心筒的連梁。當樓層采用平板結構且核心筒較柔時，在地震作用下不能滿足變形要求，或筒體由于受彎產生拉力時，宜設置加強層，其部位應結合建筑物功能設置。為了避免加強層周邊框架柱在地震作用下由于強梁帶來的不利影響，加強層的大梁或桁架與周邊框架不宜剛性連接。

3 結語

近年來，我國高層建筑抗震設計實例中也廣泛應用基于性能考慮的抗震設計方法，且目前已取得了顯著的成績，這對提高我國高層建筑的抗震設計的可靠性有很大的推動。隨著我國建筑行業的不斷發展，大量研究工作的不斷深入和工程實例的不斷應用，基于性能考慮的抗震設計方法也會變得日趨完善，我國高層建筑的抗震能力又會上到一個新的臺階。