高層建筑結構設計中的抗震設計

鄭 勇

廣東博意建筑設計院有限公司長沙分公司 ，湖南長沙 410000

如今，在城市和經濟快速發展的推動下，建筑業面臨重大變革，高層建筑逐漸成為主流，在進一步促進城市化進程的同時，也為建筑結構設計，尤其是抗震設計提出了新的要求。因此，有必要對高層建筑的抗震設計給予足夠重視，采用合理可行的設計方式，保證設計水平和質量。

1 基于位移的建筑結構抗震設計

1.1 基本參數

1.1.1 位移角限值

設建筑中某層在達到要求的位移角限值時對應的曲線為目標曲線，據此確定最大位移角的具體位置。最大位移角所在位置對框架結構而言，可取柱截面和底層開始發生變化的樓層；對框剪結構而言，可取曲線出現拐點的樓層；而對剪力墻結構，一般直接取頂層。在這種情況下，樓層之間側向位移，按照樓層的實際位移差值進行計算[1]。

位移的確定需要充分考慮結構性能。為方便分析和計算，現將結構性能分為以下三個等級：一，良好；二，保證人身安全；三，防止倒塌。各等級條件下的位移角限值要求為：（1） 當結構性能為“良好”時，框架結構位移限值應取1/500，框剪結構取1/800，剪力墻結構取1/1000；（2） 當結構性能為“保證人身安全”時，框架結構位移限值應取1/200，框剪結構取1/220，剪力墻結構取1/250；（3）當結構性能為“防止倒塌”時，框架結構位移限值應取1/50，框剪結構取1/100，剪力墻結構取1/120。

1.1.2 結構振型與自振周期

設結構不同振型下的位移形式和它的振型形狀相類似，求取不同振型在特定性能下的實際位移目標值，其中應以振型形狀的正確選定為前提。就目前來看，高層建筑對應的結構設計，可采用計算機完成，極大地簡化了設計和計算的過程，并很好地保證了精度。基于此，本次也采用相應的設計軟件實施建模與分析，以獲取抗震要求的振型與自振周期。

1.2 目標位移計算

通常將多自由度體系結構轉換為等效單自由體系來完成計算和分析，再向多自由度結構施加一定地震作用，以此進行后續結構設計。其中，涉及以下基本假定：首先，體系按照假設的側向位移出現一定地震反應；其次，轉換前后體系有完全一致的基底剪力；最后，轉換前后體系所受地震作用相同，即水平方向上由地震力做的功完全一致[2]。

結構的不同階振型處于彈塑性狀態時存在的耦合效率一般可以忽略，通過對非耦合振動作用原理的分析可知，對不同階振型發生的位移的累計曲線進行組合可以得到結構總位移變化曲線。基于此，即可對各階振型施以單獨分析，同時使上述假定適用于所有振型。

按上述假定進行推導可得：

上式中，μ為位移的延性要求，當為彈性階段時，取1.0；ζ0為彈性階段時對應的阻尼比，取0.05。可見，若為彈性階段，則μ為1.0，ζeff和ζ0將相等，即0.05。

1.3 結構不同階振型的目標側向位移曲線

非耦合振動作用基本理論、結構位移反應譜、體系轉換關系等都為基于高振型的建筑結構側向位移曲線構建打下了堅實基礎。因此，可將不同振型作為依據，采用位移反應譜確定等效位移，再按照等效的基本原理得出位移曲線，最后通過組合得到總體位移。按照結構在彈性和塑性條件下位移曲線相類似的基本假定，找出結構在特定性能情況下的目標位移。據此得到以下計算公式：

上式中，為位移限值；為j階振型對應的目標位移值；為水平方向上的位移，采用以下公式得出：

1.4 結構地震作用

設結構振型為j，所處樓層為i，則其受到的地震作用可表示為（水平方向）：

設結構振型為j，所處樓層為i，則其受到的地震剪力可表示為：

至此即可完成第一步設計，根據目標位移對結構基底實際剪力與地震作用進行計算分析。根據規范提出的設計模式，可將結構性能為良好的地震作用和自重實施組合，再按照組合后的內力對構建承載力施以準確計算；最后進行標準的延性設計，滿足各性能條件下對延性提出的要求。此外，有必要采用靜力彈塑性理論，對設計成果進行檢驗[3]。

2 實例分析

以湖南某擬建高層建筑為例進行分析，設計地上20層（地上1層高4.5m，地上2～20層的高度均為3.3m），上部結構采用框架結構，現澆樓板與框架梁、柱。建筑抗震設防烈度為8度，風荷載取0.45kN/m2，墻體類型采用輕質墻。

根據建筑實際情況，做一下初步設計：（1） 框架柱尺寸地上1、2層為（800×800）mm，地上3～20層為（700×700）mm ；（2）框架梁尺寸橫、縱兩向分別為（300×700）mm和（300×450）mm；（3） 各層樓板厚度取100mm。建筑結構自重荷載的代表數值與反彎點高度設計計算如表1所示[4]。

表1 建筑結構自重荷載的代表數值與反彎點高度設計計算

將建筑結構根據不同振型的目標位置曲線轉換為等效體系，然后采用以上公式對地震剪力進行計算，再用式 （5） 得出每個樓層的剪力，如表2所示。

表2 建筑各樓層所受地震力

3 結語

綜合上述，基于位移的建筑結構抗震設計合理可行，具有推廣應用價值。協調好經濟和安全是建筑抗震設計核心內容，抗震設防標準水平在很大程度上決定了社會經濟實力。對于高層建筑，其總造價中結構所占比例往往較低，抗震設計方面更是少之又少。因此，在允許的情況下提高標準，并不會增加太大費用，而所能帶來的收益卻是巨大的。

[1] 李晶晶，顏秉星.高層建筑抗震結構設計探討[J].智能城市，2017，3（1） ：106.

[2] 高振東.高層建筑抗震設計的幾個問題分析[J].黑龍江科技信息，2015（24）：226.

[3] 羅聯訓.淺論高層混凝土建筑抗震結構設計[J].中華民居（下旬刊），2014（6） ：25.

[4] 靳同良，王多祥.高層建筑抗震設計要點探討[J].甘肅冶金，2014，36（3） ：140-141，149.