高層建筑結構抗震設計分析

路 方

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122

地震是對高層建筑結構安全造成最大威脅的一種因素，對于高層建筑來說，良好的抗震設計能夠保障人們的生命和財產安全，因此在建設高層建筑的過程中必須加強抗震設計，在掌握基本設計原則的基礎上不斷優化抗震結構。

1 某超高層商住樓結構的抗震設計方案

1.1 建筑基本情況

某超高層商住樓建筑有地下3層，功能為建筑停車庫，局部因為設置非機動地下車庫和設備夾層，地下為4層，地上40層。1～4層主樓及裙房建筑功能為購物商場，第5層以上建筑功能為公寓式酒店。根據建筑功能要求，上部樓層部分剪力墻、框架柱不能直接連續貫通落地，不落地剪力墻面積約為上部剪力墻面積的15%，其所在位置需要設置結構轉換層。該工程結構形式為部分框支剪力墻結構，轉換層設置在第5層樓面位置，采用梁式轉換，轉換層采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚度為200mm。工程所在地區50年一遇基本風壓為0.4kPa，基本雪壓為0.3kPa，抗震設防烈度為6度，設計地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別為二類。

1.2 結構布置與抗震措施

該高層建筑高度為143.8m，根據《高層建筑混凝土結構技術規范》（JGJ 3—2010），當抗震設防烈度為6度時，框支剪力墻結構最大適用高度為140m，故該工程建筑高度超過規范允許值。根據住房城鄉建設部《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號），該工程為應對抗震超限編制了專項審查方案并進行了專家論證，對重要的結構構件、節點構造，需要采取更為嚴格的抗震措施，確保結構在地震作用下的安全性。

（1）抗側力體系布置。根據建筑施工圖布置方案，剪力墻布置在建筑交通核四周及角部，四周設置稀疏的框架柱。剪力墻盡量采用長墻形式，增加結構的抗側移剛度。該工程底部因建筑功能為商業，需要大開間空間，而局部區域上部剪力墻無法落地，故可通過結構轉換層進行轉換，該工程采用型鋼混凝土框支柱、框支梁進行轉換。型鋼截面尺寸、厚度通過計算確定，并加強鋼柱、鋼梁節點構造，增加其在地震作用下結構的延性。同時，對于其余上下連續貫通落地的剪力墻，在框支層以下部分進行加厚處理，邊緣構件內設置型鋼，增加落地剪力墻的剛度和延性。上部四周框架梁適當加高加寬，以提高結構的整體性。

（2）對于框支層的抗震性能專項設計，參照我國《高層建筑混凝土結構技術規范》(JGJ 3—2010)的規定，其抗震性能水準具體如表1所示。結構抗震性能目標應綜合考慮結構的重要性、抗震類別、工程所處場地的復雜程度、地震后造成的生命財產損失程度及影響程度和工程造價等因素。結構抗震性能目標分為A、B、C、D四個等級，且每一個性能指標都要與相應的構件抗震性能指標水平相對應。具體的抗震性能和抗震性能水準指標如表2所示。該結構的抗震性能目標設置為C級，各個類型的構件選擇以及抗震性能如表3所示。

表1 各性能水準結構預期的震后性能狀況

表2 結構抗震性能目標對應的抗震性能水準

表3 框支層各類構件的抗震性能目標

2 高層建筑抗震設計中存在的問題

2.1 軸壓比和短柱對抗震性能的影響

在高層鋼筋混凝土結構中控制柱的軸壓比主要是防止柱受拉鋼筋未達到屈服強度，但受壓區混凝土先被壓碎，使柱塑性變形能力差，結構延性和耗能能力受到影響。高層建筑中框架柱承擔的豎向荷載較大，為滿足規范要求的軸壓比，一般柱截面尺寸較大，剪跨比一般小于2，為短柱，底部幾層更可能為超短柱。為確保地震作用下結構的安全，應對框架柱采取加強措施，可采用全高箍筋加密，采用螺旋箍筋或者中間設置型鋼等加強措施。

2.2 結構高度對抗震性能的影響

結構高度為室外地面至主要屋面構件的高度，結構承受的傾覆彎矩隨結構高度的增加而增加。建筑物高度越高，結構的穩定性就越差，相應的結構剛度就需要更大，剪力墻等承受的水平力構件就需要布置越多，結構經濟性會變得較差。當建筑結構的高度超過相關規范允許值時，應采取比規范更嚴格的抗震措施進行抗震超限專項設計，并通過專家的論證后方可實施。

3 高層建筑結構抗震設計策略

3.1 運用高延性結構消震和隔震

高延性結構可以有效提高抗震能力，并且有著良好的吸收地震能量的作用，我國當前在建筑的防震設計及后期施工過程中，為增加建筑結構的延性、整體剛度，對結構節點構造進行了科學合理的設計，以減少地震作用帶來的不利影響。必要時可采用減震、隔震設計，確保建筑結構的安全、經濟、適用。

3.2 注意薄弱層的結構設計

建筑結構的薄弱層一般出現在建筑結構豎向抗側力構件不連續，樓層的承載力出現突變以及結構側向剛度的突變位置。在地震的作用下，薄弱層是最容易受到影響的，因此在強化薄弱層的結構計算分析的基礎上，要加強薄弱層的抗震承載能力和耗能能力，使薄弱層有足夠的強度和剛度來應對地震作用。

3.3 合理選擇和布置建筑方案

結構工程師的作用是配合建筑設計師的工作，通過力學計算分析、概念設計等方式盡可能實現其設計意圖。然而在方案設計時，結構工程師往往參與較少，待建筑方案確定后往往出現結構布置不合理、不滿足抗震設計要求的情況。因此，為確保后期結構抗震方案的可實施性，結構工程師應盡可能早地參與到建筑方案的確定過程中來，并要求建筑方案遵循“平面對稱、立面均勻”的布置原則。

3.4 加強建筑結構的整體性

只有保證建筑結構內部整體強度、剛度和耗能能力，在發生地震時各個部件才能夠協調工作。因此，應加強結構四周梁截面尺寸，對于開大洞四周樓板要加大樓板厚度和拉通筋的配筋率，提高樓板的平面內剛度，確保結構滿足計算假設以及結構抗震性能滿足規范要求。

3.5 對于其他非結構部件的處理

除了主要受力構件，建筑物還包含填充墻體、外圍裝飾墻板、屋面廣告牌、附屬機電設備等非結構構件。當地震發生時，這些構件也會在不同程度上受到地震作用，對建筑結構的整體抗震性能產生一定影響，因此對其進行合理的處理，能更好地提高建筑物的抗震能力，減少地震造成的次生災害。

4 結束語

隨著我國社會經濟水平的不斷提高，高層以及各種超高層建筑在城市建設中的應用越來越多。為有效保障人們生命財產安全，必須重視對高層建筑結構的抗震設計，尤其是進行抗震概念設計能有效降低地震對建筑物的損害，提升社會經濟效益。