高層建筑結構抗震性能設計研究

王志成

（中國中輕國際工程有限公司 100026）

0 引言

在高層建筑角度上，因為其高度較大，上部結構因為與地基聯系不緊密，在抗震性能表現不佳的條件下，在短時間內就會出現過快、過大的晃動，隨后就會坍塌，說明高層住戶逃離現場的時間較短，同時高層住戶逃離現場的路線較長，短時間內難以實現目的，由此可見高層建筑抗震性能的重要性，所以在高層建筑結構設計當中，必須考慮到建筑抗震性能。

1 抗震性能的形成原理

高層建筑抗震性能的形成主要源于三個方面，即結構剛度、整體性、可塑性，下文將對這三個抗震性能的形成因素的具體表現進行分析。

1.1 結構剛度

結構剛度是指建筑在受到外力沖擊時，其對應產生的抵抗力，可以將其視為“硬度”，如果建筑結構的剛度較高，則代表建筑可以承受一部分的沖擊力，如果沖擊力低于剛度產生的抵抗力，則建筑不會坍塌。那么在地震條件下，地震給建筑帶來的沖擊力無疑是巨大的，良好的剛度可以降低沖擊力的水平，延長建筑在地震條件下的穩定時間（因大多數地震的持續時間較長，巨大沖擊力會一直對建筑造成沖擊，導致建筑內部結構發生位移，破壞其剛度性能，所以最終結果往往還是坍塌，但如果地震持續時間較短，則不會坍塌），這可以給高層住戶提供充足的逃生時間，說明結構剛度的意義非凡，是建筑抗震性能中的核心因素。

1.2 整體性

建筑結構的整體性是決定結構剛度水平、引導外力走向的重要因素，在抗震性能中發揮這巨大作用。具體來說，建筑結構的整體性是否良好，可以從其各個部位的力學表現上來進行判斷，即良好的整體性，其各個結構之間的力學表現聯系緊密，且整個力學結構分布均勻，其中沒有薄弱點，如果有任意一項不滿足，則說明整體性較差，在這一條件下，當建筑遭受地震外力沖擊，整體性良好的建筑結構會將沖擊力“化整為零”，分攤給各個建筑結構，以免沖擊力過于集中而導致某個部位損毀，相繼引發結構性坍塌，這一點說明良好的整體性有利于建筑剛度提高，且體現出引導外力走向的功能。

1.3 可塑性

在大部分案例當中可見，無論建筑結構的抗震性能多么優秀，其面對大型地震時，坍塌只是時間問題，而一些具有良好可塑性的建筑結構，其在地震中“堅持”的時間更長。原理上建筑的可塑性可以視為“自穩定性”，使建筑每一次的位移、形變時間縮短，如果沒有后續外力影響，建筑同樣可以保持穩定，所以可塑性越高，則建筑抗震性能越好，給住戶逃生時間做出了杰出貢獻。

2 影響抗震性能水平的主要原因

實際上，高層建筑抗震性能水平會受到多種原因影響而發生不良變化，對此本文不便一一細說，主要挑選其中較為主要的原因進行分析，即建筑材料、力學結構、框架設計。

2.1 建筑材料

建筑材料是除整體性以外，對建筑結構剛度具有重大影響的另一項原因，即高層建筑所使用的材料，其強度是否達標，將決定建筑結構的剛度。具體來說，現代高層建筑多采用混凝土、鋼筋作為主要施工材料，其中混凝土的強度取決于混合料的級配、混凝土結構厚度，在級配達標、厚度達標的條件下，結合整體性框架，就可以形成良好的剛度，相反如果有任意一項未被滿足，則說明建筑結構剛度不佳，抗震性能不滿足要求；鋼筋是實現建筑基本框架的主要材料，所以鋼筋是否具有良好的承載能力，就代表建筑承受地震沖擊力的限度。綜上可見，建筑材料是影響高層建筑抗震性能水平的主要原因。

2.2 力學結構

力學結構代表的是建筑的整體性，其具有幾項指標：載荷能力、力學分布是否均勻、結構聯系是否緊密。具體來說，在高層建筑抗震設計當中，如果整體結構的載荷能力低于規范標準，則無論后兩項指標表現如何，其面對地震沖擊力都是“有心無力”，所以在權重上載荷能力是力學結構質量評估的最高指標；力學分布是否均勻方面，結合上述整體性分析可見，如果結構中存在薄弱點，則代表力學結構分布不均勻，在地震沖擊下容易出現局部破壞，隨之受后續沖擊力以及重力影響，會產生整體性坍塌，這一指標如果表現不佳，則無論結構是否緊密，都會出現上述問題，所以在權重上力學分布是否均勻是力學結構質量評估的第二指標；結構聯系是否緊密方面，結合上述整體性分析中的引導外力走向的功能，如果聯系不緊密，則無法實現這一功能，其在權重上是力學結構質量評估的第三指標。

2.3 框架設計

結合當前最常用的抗震結構（框剪結構）來進行分析。在很多框剪結構應用案例當中可見，其具有良好的自穩定性，說明該結構可以實現良好的可塑性，但如何在該框架結構的設計當中出現了問題，就必然破壞其自穩定能力，降低可塑性表現，因此框架設計工作是影響高層建筑抗震性的主要原因。

3 抗震性能優化方法

3.1 規范設計

在高層建筑抗震性能設計當中，任何設計方案都必須滿足國家規范要求，否則無論其性能表現如何都不能采用，這是該項設計的基本原則，同時根據國家規范要求，可以判斷設計方案抗震性能是否需要優化以及優化方向。具體來說，目前我國對于高層建筑抗震性能的基本要求為：高層建筑抗震性能必須高于地區地震烈度一級，依照要求設計人員需要對建筑材料進行選擇，確保其級配以及性能達標，再對設計結果進行測試，確認其整體性表現，如果任意一項存在缺陷，則說明設計方案需要優化，優化方向即為缺陷問題。

3.2 地震外力傳遞渠道設計

在整體性要求下，其引導外力走向功能的主要原理就在于：建筑結構當中存在若干地震外力傳遞渠道，那么要保障整體性、實現力學結構均勻分布，就必須對地震外力傳遞渠道進行設計，且針對其中不合理進行優化。具體來說，可以借助BIM 技術構成方案三維模型，模擬其在地震外力條件下的外力引導表現，根據各外力傳遞渠道上的力學數值，判斷設計是否合理，如果不合理則針對問題渠道進行調整即可。

3.3 多抗震防線設計

多抗震防線設計可以形成良好的可塑性，在理論與實踐上都具有良好的表現，因此該設計方法可以作為優化高層建筑抗震性能的方法來使用。但值得注意的是，多抗震防線設計應用中，會導致施工成本增高、建筑內部空間侵占問題，因此設計人員應當在綜合角度上來應用該方法，在實現良好抗震性能的同時，兼顧建筑功能性。

4 結語

綜上，說明抗震性能對于高層建筑的重要性，闡述了其形成原理，為建筑結構設計提供了方向；了解了高層建筑抗震性能設計的影響因素，在設計當中應當避免各類因素出現不良表現；對抗震性能優化方法進行了分析，了解了各方法的應用方式以及注意事項。