高層建筑結構抗震分析和設計

（河北 石家莊 052460）

一、地震作用對高層建筑的影響分析

（一）對高層建筑構件形式方面

1.在高層建筑的框架結構中，通常地震對板和梁的破壞程度輕于柱。

2.地震作用經常在多肢剪力墻（鋼筋混凝土結構）的窗下引起交叉斜向的裂縫。

3.鋼筋混凝土框架結構，如長、短柱并用于同一樓層，長柱受損害較輕。

（二）對高層建筑結構體系方面

1.對于鋼筋混凝土板、柱體系的高層建筑，各層樓板因樓層柱腳破壞或者側移過大以及樓板沖切等因素而在地面墜落重疊。

2.對于框架結構體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，容易發生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現象；地震對采用敞開式框架間未砌磚墻的底層破壞嚴重。

3.對于框架-抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大。

（三）對高層建筑地基方面

1.如果地基自振周期與高層建筑結構的基本周期相同或相近，地震作用因共振效應而增加。

2.如果高層建筑處在危險和地形不利的區域，則容易使高層建筑因地基破壞而受損。

3.地基處地質不均勻，在地震作用下容易使上部結構傾斜甚至倒塌。

4.若高層建筑的地基處有較厚的軟弱沖積土層，則地震作用對高層建筑的損害顯著增大。

二、高層建筑結構抗震的理論分析

（一）建筑結構抗震規范

《建筑結構抗震規范》實際上是各國建筑抗震經驗帶有權威性的總結，是指導建筑抗震設計(包括結構動力計算，結構抗震措施以及地基抗震分析等主要內容)的法定性文件它既反映了各個國家經濟與建設的時代水平，又反映了各個國家的具體抗震實踐經驗。它雖然受抗震有關科學理論的引導，向技術經濟合理性的方向發展，但它更要有堅定的工程實踐基礎，把建筑工程的安全性放在首位，容不得半點冒險和不實。正是基于這種認識，現代規范中的條文有的被列為強制性條文，有的條文中用了“嚴禁，不得，不許，不宜”等體現不同程度限制性和“必須，應該，宜于，可以”等體現不同程度靈活性的用詞。

（二）抗震設計的理論

1.靜力理論。靜力理論是20世紀10～40年代發展起來的一種理論，它在估計地震對結構的作用時，僅假定結構為剛性，地震力水平作用在結構或構件的質量中心上。地震力的大小當于結構的重量乘以一個比例常數(地震系數)。

2.反應譜理論。反應譜理論是在20世紀40～60年代發展起來的，它以強地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動特性的進一步了解，以及結構動力反應特性的研究為基礎，是加理工學院的一些研究學者對地震動加速度記錄的特性進行分析后取得的一個重要成果。

3.動力理論。動力理論是20世紀70～80年廣為應用的地震動力理論。它的發展除了基于60年代以來電子計算機技術和試驗技術的發展外，人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解，同時隨著強震觀測臺站的不斷增多，各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論，它把地震作為一個時間過程，選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入，建筑物簡化為多自由度體系，計算得到每一時刻建筑物的地震反應，從而完成抗震設計工作。

三、高層建筑結構抗震設計的要點

（一）強柱弱梁思路

為避免框架倒塌，提倡采用強柱弱梁框架結構。在單一的框架結構中，框架是唯一的抗側力構件，那么采用強柱弱梁型延性框架，在水平地震力的作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的變形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。

（二）選擇合理的結構體系

由于高層建筑中抗水平力成為設計的主要矛盾，因此采用何種抗側力結構是結構設計的關鍵性問題。根據抗側力結構的不同，鋼筋砼結構主要可分為框架結構、框架——剪力墻結構、剪力墻結構和筒體結構等幾種結構體系，這些體系的受力特點、抵抗水平力的能力，特別是抗震性能等有所不同，因此具有不同的適用范圍。

1.框架結構。框架結構由梁、柱構件通過節點連接構成，框架梁和柱既承受垂直荷載，又承受水平荷載，并可為建筑提供靈活布置的室內空間。由于框架結構在水平力的作用下，內力分布很不均勻，并存在著層間屈服強度特別弱的樓層，且由于框架結構的構件截面慣性矩相對較小，導致側向剛度較小，側向變形較大，在強烈地震作用下，結構的薄弱層率先屈服，發生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發生破壞，除剪跨比較小的短柱易發生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此框架結構屬于以剪切變形為主的柔性結構，使用高度受到限制，主要用于非抗震設計和層數相對較少的建筑中。

2.剪力墻結構。剪力墻結構中，剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎曲變形為主的剛性結構。該種結構的抗側力剛度比框架結構大的多，在水平力作用下側向變形小，空間整體性好。

（四）增多抗震防線

高層建筑結構防震可以設置多道抗震防線，增強對地震的抵抗力。高層建筑物設置多層的地震抵抗防線，第一道防線遭到破壞之后，有后備的第二道、第三道甚至更多的防線對地震的作用力進行阻擋，避免高層建筑物的倒塌。

框架剪力墻具有性能較好的多道防線抗震結構，其中的剪力墻是第一道抗震防線，也是主要的抗側力構件。為保證它的承受能力，剪力墻要足夠多。同時，為承受剪力墻開裂后重分配的地震作用，任一層框架部分按框架和墻協同工作分配的地震剪力，不應小于結構底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5倍中兩者的較小值。剪力墻結構中剪力墻可以通過合理設置連梁（包括非建筑功能需要的開洞組成多肢聯肢墻）使其具有多道抗震防線性能。