試論我國高層建筑結構抗震設計

張帥 吳桐桐

摘 要：如今，我國高層建筑越發普遍，業內也越來越重視其結構設計。高層建筑的高度高、樓層多，結構比較復雜，而近年來又頻繁的發生地震等自然災害，一旦有地震發生就可能對高層建筑造成不可挽回的損失。基于此，高層建筑結構抗震設計便受到了廣泛的關注。本文分析了高層建筑結構抗震設計內容以及地震作用下高層建筑結構的破壞特點，并探討我國高層建筑結構抗震設計的方法。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;抗震設計

1 高層建筑結構抗震設計內容

一般情況下，強大的地震作用會使高層建筑物的抗震結構進入到塑性狀態，為確保地震作用下結構性能可以達到實際要求，就要將結構彈塑性變形能力納入到高層建筑結構抗震設計中去考慮。從當前國內外對抗震設計研究的發展趨勢來看，主要圍繞著不同超越概率水平地震作用下對結構的變形要求和性能要求做出合理的設計。其中，結構的彈塑性分析是抗震設計的重要內容，因其具有一定的難度及復雜性，所以對如何設定與計算等一些問題也各有不同的要求。目前，我國的現行抗震規范對高層建筑結構抗震設計要求主要是按照反應譜理論計算的，采取彈性方法來計算位移及內力，通過極限狀態來設計構件。建筑物如果有特殊要求或是個別的重要建筑則可以利用時程分析法對其補充計算，對地震作用下的變形狀態做出計算，分析建筑結構的彈塑性變形。

2 地震作用下高層建筑結構的破壞特點

2.1 地基方面

一是高層建筑在具有較厚軟弱沖積土層場地會明顯增高破壞率;二是在不利或危險地段所建筑的高層建筑，由于地基被破壞而受到損壞;三是由地基土液化而引起地基沉降不均勻的現象，致使上部結構開始整體傾斜或損壞的較為嚴重;四是當建筑結構的基本周期與場地自振周期相近時，因共振效應的破壞程度將加重。

2.2 結構體系方面

一是采用的房屋結構為“填墻框架”，而鋼筋混凝土框架結構平面內柱上端容易有剪切破壞發生，因窗下墻的約束使得外墻框架柱有短柱型剪切型破壞發生;二是房屋如果采用的是“底框結構”體系，底層剛度柔弱，會被嚴重的破壞。如果房屋采用的是“填墻框架”體系，底層為敞開式框架間未砌磚墻，那么底層同樣被破壞的非常嚴重;三是房屋結構采用抗震墻體系，其破壞程度不大;四是對于采用鋼筋混凝土板、柱體系結構的建筑來說，由于樓層出現了較大的側移或是樓板沖切方面的原因，導致柱腳破壞，各層樓板墜落重疊于地面上。

2.3 房屋體形方面

一是不規則的平面房屋建筑（包括L形、Y形、T形），它們的破壞率在明顯提高;二是有的高層建筑有大底盤，對于突然減小裙房頂面與主樓相接處面積的樓層，也就是指相鄰樓層發生較大的質量突變情況時，會加重破壞程度;三是樓層平面形心偏移重心越大，震害的嚴重性就越大;四是由于設置的防震縫寬度太小，所以導致建筑物間發生碰撞破壞。

2.4 構件形式方面

一是在整個框架結構中，柱的破壞程度通常比梁、板的破壞程度要高;二是混凝土柱上配置螺旋箍筋，當層間位移角的數值較大時，仍保持核心混凝土完好，柱的抵抗能力仍然較大;三是鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻一般有斜向或交叉裂縫產生;四是如果鋼筋混凝土框架在同一樓層同時使用了長、短柱，則破壞較嚴重的是短柱。

3 我國高層建筑結構抗震設計的方法

3.1 選擇的地理位置必須具有合理性

在不同的建筑施工場地工程地質條件下，地震對建筑物也會造成不同的破壞。為此，施工企業在建設高層建筑工程項目時，應先選擇合適的場地，要求場地對抗震是有利的，施工建設應該盡可能的避開抗震不利場地，有利于地震災害問題得以減輕。在高層建筑施工前，先要勘察工程地質問題，利用科學的解決措施應對地質問題。針對不利工程地段來說，需要對那些因場地條件而破壞結構的因素全面考慮。此外，在工程施工地區除了考慮地震因素的限制，也要進一步排除不利場地和危險性場地作為建筑施工用地。高層建筑在施工過程中，要結合場地、地基因素等對建筑物能夠承受的抗震破壞作用大小及其特征來分類，遵循不同場地的特點采取合理的抗震對策。結構工程師在高層建筑結構抗震設計時，首先要提出的就是避開不利地質環境，比如，根據抗震設防類別、地基液化等級等幾方面因素來加強地基結構和上部結構的剛度，使地基液化沉陷現象可以徹底消除。

3.2 分體柱的有效利用

短柱的抗彎承載力大于抗剪承載力，地震的作用下因剪壞而失效，所以不能完全發揮其抗彎強度。因此，短柱的抗彎強度可以通過人為地削弱，使抗彎強度與抗剪強度相對應，或者比抗剪強度略低一點，這樣在地震的作用下，柱子可以先達到抗彎強度，呈現延性的破壞狀態。一般來說，通過利用人為削弱抗彎強度這一辦法可以在柱中沿豎向設縫，再將短柱分成各柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋在組成分體柱的柱肢之間可以有一些必要的連接鍵設置其中，使它的初期剛度和后期耗能能力得到明顯的增強。一般連接鍵的形式主要有：預制分隔板、通縫、預應力摩擦阻尼器、混凝土連接鍵等。經過分析分體柱工作性態得知：采用分體柱的這一方法盡管能使柱子的抗剪承載力基本保持不變，并稍微降低了抗彎承載力，但是卻能顯著的提高柱子的變形能力和延性，其破壞形態由剪切型向彎曲型轉化，短柱變“長柱”的設想由此實現，促使短柱尤其超短柱的抗震性能得到有效的改善。

3.3 優化建筑結構設計

在高層建筑結構抗震設計的過程中，應該遵循的設計原則是對稱均勻的原則。從綜合抗震能力概念方面來看，高層建筑結構抗震設計時需要衡量建筑結構構造和承載力對于抗地震作用的大小。高層建筑物在地震時受到地震作用的大小程度與建筑物的動力特性、剛度合理性、承載力分布、延性等有密切關系，建筑結構整體穩定性及空間剛度大小決定著高層建筑結構抗震能力的大小。為了提高高層建筑物的抗震性能，應確保建筑結構設計中的所有構件都有較高的延性，通過屋蓋、現澆樓等方法增強結構的空間剛度和整體穩定性。另外，為了提高結構整體的穩定性，還應該合理設置配筋圈梁，進而增強高層建筑的抗震性能，結構主要通過延性作用使得建筑物在大地震的作用下有非彈性變形發生。

參考文獻：

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