高層建筑結構抗震設計的研究

周磊

（南昌大學設計研究院）

地震對高層建筑的影響是較大的，對于建筑來說，良好的抗震設計能夠保證人們的生命安全和財產安全。因此，設計單位及設計人員應當要對高層建筑的抗震設計給予一定重視，在掌握設計原則的基礎上，不斷優化抗震結構的設計，為高層建筑的使用壽命以及人們的生命財產安全提供保障。

1 高層建筑結構抗震設計原則

1.1 整體性原則

高層建筑結構抗震設計需要遵循整體性原則，在高層建筑結構中，剪力墻及框架柱的布置應盡量橫平豎直，豎向構件之間的拉結梁應有足夠的剛度，以保證豎向構件的變形協調，更加合理的分配風荷載效應和地震效應。樓蓋在整個抗震結構中是非常重要的，其整體性與建筑結構整體性有著直接的關系，不僅要求其能夠聚集和傳遞慣性力到其他子結構，同時還要求子結構具有較強的抗震性能，抵抗地震的作用。若是豎向抗震里子結構的分布不均勻，則會導致整個高層結構只能依靠樓蓋來與子結構進行協同工作，共同“承擔”地震作用力。因此，在進行抗震設計的時候應當要注重整體性原則。

1.2 剛度原則

在高層建筑結構中，確定結構剛度并對結構進行合理的布局能夠抵抗任意方向的地震作用力，在通常情況下，結構剛度的設計不僅要對結構變形進行良好控制，同時也能夠降低地震通對建筑結構的沖擊力。若是結構變形量較大，則會導致建筑出現重力二階效應，直接導致建筑失衡。并且高層建筑的填充墻應采用輕質材料，外墻盡量采用玻璃幕墻，減輕結構總重量，以此降低高層建筑在受風荷載及地震作用時的內力（結構重量越大，地震效應越大）及變形（結構重量越大，由變形產生的重力二階效應越大）由此可見，科學合理的剛度設計能夠提高建筑的質量，有效對抗地震作用力，因此，在抗震結構設計中應當要注重剛度設計的合理性。

1.3 規則與均勻原則

規則與均勻原則也是高層建筑結構抗震設計中所需要遵循的原則。結構的豎向布局應當要規則且均勻，且要保證結構側向剛度變化的均勻性，避免側向剛度的突變影響建筑抗震性能。這樣能夠保證建筑結構在地震作用力的影響下能夠有明確且直接的傳導途徑。為避免高層建筑在地震作用下產生過大的扭轉，平面布置應符合以下要求：采用地震作用影響較小的平面形狀，平面布置宜規則、對稱、避免質量和剛度分布的不均勻，地震力不同作用方向上的結構抗側力剛度不宜差距過大，平面長度不宜過長。當為滿足建筑需要而采用躍層（局部開洞較大）設計時，為應對開洞的洞邊進行加強設計。

2 高層建筑結構抗震設計

在上述抗震設計原則的基礎上展開相應的抗震設計，能夠有效提高高層建筑結構的抗震性能。在實際情況中，可以從以下幾方面來展開高層建筑結構的抗震設計：

2.1 場地與基礎的選擇和設計

場地與基礎部分是抗震設計的基礎環節，很多地震造成建筑的破壞都是由場地和基礎而引起的。在場地的選擇方面，應當要盡量避開容易斷裂的地帶和土質不利的地帶，如：軟弱土地帶、斷層破碎帶、半挖半填地基等，若是避免不了要在不利地帶展開建筑，那么需要對地基基礎進行加固處理，常見的地基加固處理技術有強夯法、換土墊層法、深層擠密法等。由此可見，對高層建筑進行結構抗震設計的過程中，應當要對場地進行合理選擇，并對地基進行適當處理，保證同一個體系在相同性質的地基上，保證同一個建筑使用一種基礎，并保證地基基礎與建筑結構之間的緊密性和相互作用。

2.2 抗震結構體系的設計

①高層建筑結構的抗震體系與其他類型建筑有所不同，除了常規結構布局外，還要考慮其規則性與對稱性（上文中有所涉及），避免出現扭轉的情況導致失衡。因此，應當要保證建筑的豎向結構有規則均勻變化，從上至下剛度逐漸減小，若是建筑發生不規則扭曲，那么需要通過抗震措施來加強薄弱環節，提高建筑的抗震性能。②為了提高高層建筑結構的抗震性能，需要設置多道抗震防線。從受力情況上來分析，高層建筑結構的抗側剛度可以分為兩種情況，一種是內外結構協調作用共同承擔，相互補充，外部結構承擔大部分的傾覆彎矩和小部分的剪力作用，而內部則承擔大部分的剪力和小部分的傾覆彎矩；而另一種則是外部結構非常強大，承擔大部分的傾覆彎矩和建立，內部結構則承擔了較小的部分。由此可見，當建筑的第一道屏障遭到破壞時，第二道防線能夠起到一定的保護作用。比如：在框架剪力墻體系中，抗震墻作為第一道防線，框架則作為第二道防線，起到良好的抗震保護作用，如圖1所示，框架-剪力墻結構，其承重體系為墻體和框架共同承擔豎向和水平方向的作用力，多用于高層建筑。③薄弱層是抗震設計中需要重點關注的環節，由于建筑材料、剛度以及變形能力等方面的影響，建筑會出現抗震薄弱環節，若是地震來襲，那么這些薄弱環節會率先“屈服”，導致建筑坍塌。需要注意的是，建筑抗震的薄弱環節需要從建筑的整體進行分析，避免考慮部分環節而忽略整體受力情況和變形情況。此外，由于結構的薄弱層只是一個相對性的概念，常常會受到材料變化、設計施工等方面因素的影響而產生變化，導致薄弱層的位置發生變化，那么如何控制薄弱層位置發生轉移而又能夠達到其變形能力，是控制高層建筑結構抗震性的關鍵。

圖1

2.3 建筑構件的抗震設計

高層建筑抗震性能的提升需要有各個構件的支持，因此，在抗震結構體系中的每個構件都必須要有合理的剛度和強度，且具有一定的連接性。在設計的過程中除了要設置多道抗震防線外，還要保證每個構件剛度和強度的科學合理性，盡量降低薄弱環節產生的機率。

在高層建筑中，除了承重結構外，非承重結構也是較為重要的，雖然非承重結構并不是建筑中的關鍵性結構，但是其重要性是不言而喻的。在抗震設計中，非結構構件的抗震設計需要從以下幾方面出發：①在設計的過程中，需要先分清結構中哪些是非結構構件，然后展開相應的抗震設計。但是需要注意的是，在建筑中有一些結構是否屬于結構構件并不容易區分開來，這種情況可以將其按照結構構件來處理。②對于支撐在樓層之間和防震縫兩側的非結構構件來說，需要考慮到當地震來襲的時候支撐點之間位移產生的作用效應。

3 結束語

高層建筑在人們的生產和生活中占據著越來越重要的位置，如何提高高層建筑結構的抗震性能是建筑過程中的重點環節之一。相關設計人員應當要在掌握基本設計原則的基礎上，從地基、構件、抗震體系等方面來優化高層建筑結構的抗震性能，保證高層建筑的質量安全。

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