高层建筑结构设计抗震设计探讨

　　摘要：随着高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已越来越重要。本文作者结合自身工作经验对高层建筑结构设计中抗震设计进行了分析、探讨，并对抗震设计中存在的常见问题进行深入分析，并提出相应的改进方法和措施。
　　关键词：高层建筑；建筑结构；抗震设计
　　抗震设计高层建筑的结构体系是随着社会的发展和科学技术的进步而不断发展的。随着高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已越来越重要。特别是我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，高层建筑结构的抗震是建筑物安全考虑的重要问题。地震是一种随机振动,所以建筑结构设计人员为防止、减少地震给建筑造成的危害,就需要分析研究建筑抗震问题不断总结工程经验,妥善处理这一工程问题。
　　1．实行建筑抗震设计规范，总结工程经验妥善处理工程问题：
　　1.1选择有利的抗震场地
　　地震造成建筑物的破坏,除地震动直接引起的结构破坏外,场地条件也是一个重要的原因。地震引起的地表错动与地裂,地基土的小均匀沉陷,滑坡和粉
　　、砂土液化等。因此,应选择对建筑抗震有利的地段,应避开对抗震不利地段,如软弱场地土,易液化土,条件突出的山嘴,高耸孤立的山丘,非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘,场地土在平面分布上的成因、岩性、状态明显不均匀等地段;当无法避开时,应采取适当的抗震加强措施,应根据抗震设防类别、地基液化等级,分别采取加强地基和上部结构整体性和刚度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施;当地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、新近填土和严重不均匀土层时,应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响,采用桩基、地基加固和加强基础和上部结构的处理措施;对于地震时可能导致滑移或地裂的场地,应采取相应的地基稳定措施。基础设计时,同一结构单元不宜设计在性质截然不同的地基土上,也不宜部分采用天然地基部分采用桩基,不宜部分采用端承桩部分采用摩擦桩;高层建筑宜设置地下室,应避免采用局部地下室。
　　1.2优化的平面和立面布置
　　关于建筑结构设计的平面与立体结构,我们根据认为有以下几个方面可以参考:
　　①结构的简单性。结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径。只有结构简单,才能够对结构的计算模型、内力与位移分析,限制薄弱部位的出现易于把握,因而对结构抗震性能的估计也比较可靠。
　　②结构的刚度和抗震能力。水平地震作用是双向的,结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常,可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力,结构的抗震能力则是结构强度及延性的综合反映。结构刚度的选择既要减少地震作用效应又要注意控制结构变形的增大,过大的变形会产生重力二阶效应,导致结构破坏、失稳。
　　③结构的整体性。在高层建筑结构中,楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用,楼盖相当于水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构,而且要求这些子结构能协同承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或抗侧力子结构水平变形特征不同时,整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能协同工作。
　　1.3设置多道设防的抗震结构体系
　　抗震建筑结构体系应根据建筑物的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素,经过技术、经济条件比较综合确定。首先宜有多道抗震防线,应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力或对重力荷载的承裁能力。所谓多道抗震防线,是指在一个抗震结构体系中,一部分延性好的构件在地震作用下,首先达到屈服,充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用,即担负起第一道抗震防线的作用,其他构件则在第一道抗震防线屈服后才依次屈服,从而形成第二、第三或更多道抗震防线,这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。同时底框建筑底层高度不宜太高,应控制在4.5m以下。高度加大,底层刚度减小,重心提高,使框架柱的长细比增大,更容易产生失稳现象。而且由于高度较大,很多建筑房间被业主一层改成了两层,造成了较大的安全隐患。宜具有合理的刚度和强度分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位.产生过大的应力集中或塑性变形集中;可能出现的薄弱部位,应采取措施提高抗震能力。
　　1.4保证结构的延性抗震能力
　　合理选择了建筑结构后,就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性抗震能力,从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标,系统的抗震措施包括以下几个方面内容。强柱弱梁:人为增大柱相对于梁的抗弯能力,使钢筋混凝土框架在大震下,梁端塑性铰出现较早,在达到最大非线性位移时塑性转动较大;而柱端塑性铰出现较晚,在达到最大非线性位移时塑性转动较小,甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。强剪弱弯:剪切破坏基本上没有延性,一旦某部位发生剪切破坏,该部位就将彻底退出结构抗震能力,对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值,使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。
　　1.5合理的建筑结构参数设计计算分析
　　参数设计是进行地震作用和房屋各构件的地震响应计算,包括各墙柱梁板承载力和变形计算。开始计算前,应根据高层结构的实际工作状况,建立正确的计算模型,根据概念设计做必要的简化计算与处理。计算软件技术条件的输入应符合规范及有关标准的规定,并应根据具体工程注意需要特殊处理的内容。对于复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时,应采用不少于两个不同的力学模型,目前主要有两种计算理论:剪摩理论和主拉应力理论,它们有各自的适用范围:砖砌体一般采用主拉应力理论,而砌块结构可采用剪摩理论。对计算机的计算结果,应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。结构计算控制的主要计算结果有结构的自振周期、位移、平动及扭转系数、层间刚度比、剪重比、有效质量系数等。另外,地下室水平位移嵌固位置,转换层刚度是否满足要求等,都要求有层刚度作为依据。复杂高层建筑抗震计算时,宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,振型数不应小于15,对多塔结构的振型数不应小手塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。总之,高层结构计算很难一次完成,应根据试算结果,按上述要求多次调整,才能得到较为合理的计算结果,以保证建筑物的安全。[!--empirenews.page--]
　　2．高层建筑抗震设计中经常出现的问题
　　2.1部分建筑物高度过高
　　按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。在这个高度，抗震能力还是比较稳妥的，但是目前不少高层建筑超过了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性会发生很大的变化，建筑物的抗震能力下降，很多影响因素也发生变化，结构设计和工程预算的相应参数需要重新选取。
　　2.2地基的选取不合理
　　由于城市人口的增多和相对空间的缩小，不少建筑商忽略了这一问题，哪里商业空间大就在哪里建。高层建筑应选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地，远离河岸，不应垮在两类土壤上，避开不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。高层建筑的地基选取不恰当可能导致抗震能力差。
　　2.3材料的选用不科学,结构体系不合理
　　在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。由于我国建筑结构主要以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。
　　2.4较低的抗震设防烈度
　　许多专家提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内超越概率为lO％的地震烈度，较低的抗震设防烈度放松了高层建筑的抗震要求。
　　3．高层建筑结构抗震设计的基本方法和原则
　　3.1减少地震能量输入
　　积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。
　　3.2推广使用隔震和消能减震设计
　　目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，地震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。
　　3．3结构材料选用很重要
　　可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。从抗震角度来说，结构体系的抗震等级，其实质就是在宏观上控制不同结构的廷性要求。这要求我们应根据建设工程的各方面条件，选用符合抗震要求又经济实用的结构类别。
　　3.4高层建筑减轻结构自重
　　一方面从地基承载力来看，如果是同样的地基条件，减轻结构自重意味着在不增加基础或地基处理造价的情况下，可以多建层数，特别是对于软土更为明显。另一方面地震效应与建筑质量成正比，结构质量的增加必然引起地震力的增大。高层建筑由于其高度较大，重心较高，地震作用倾覆力矩也随质量的增加而增大。设计时要求高层建筑物的填充墙及隔墙应采用轻质材料。
　　3.5高层建筑结构应设置多道抗震防线
　　当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续地震的冲击，使建筑物免于倒塌。高层结构形式应采用具有联肢、多肢及壁式框架的框架剪力墙，剪力墙框架简体，筒中筒等多道抗震防线结构体系。需要强调的是设计不能陷入只凭计算的误区，若结构严重不规则，整体性差，仅按目前的结构设计计算水平，是难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。因此，要求建筑师与结构工程师共同把好初步设计这一环节。关于高层建筑混凝土结构概念设计的一般原则和具体内容，高层建筑混凝土结构技术规程有关章节作了规定。
　　①结构的简单性。结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径。建筑抗震设计规范要求，“结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。”只有结构简单，才能够对结构的计算模型、内力与位移分析，限制薄弱部位的出现易于把握，因而对结构抗震性能的估计也比较可靠。
　　②结构的规则性和均匀性建筑抗震设计规范要求，“建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面布置宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。”建筑平面比较规则，不应采用严重不规则的平面布置，对A级高度建筑宜平面简单、规则、对称、减小偏心；而对B级高度建筑则应简单、规则、减小偏心。平面布置均匀规则，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。结构布置均匀、建筑平面规则，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，增加结构的赘余度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。[!--empirenews.page--]
　　③结构的刚度和抗震能力水平。地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力，结构的抗震能力则是结构强度及延性的综合反映。结构刚度的选择既要减少地震作用效应又要注意控制结构变形的增大，过大的变形会产生重力二阶效应，导致结构破坏、失稳。结构应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力，现有的抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在抗震概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。
　　④结构的整体性。在高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用，楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要求这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和内力，并与竖向子结构有效连接，当结构空旷、平面狭长、平面凹凸不规则，楼盖开大洞口时更应特别注意，设计中不能错误认为，在多遇地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变形影响后，就可以削弱楼盖体系。
　　4．高层建筑结构抗震设计的前景展望
　　结构抗震体系由传统的以“硬抗”为主的抗震体系向以“柔抗”为主的结构减震控制体系发展。结构减震体系采用的是以“柔”克刚的新概念，它通过调整结构动力特性、隔震、减能或控制来达到抗震的目的。
　　4.1建筑材料对结构抗震的影响越来越得到重视
　　建筑材料的各个抗震指标的提升可以提高高层建筑的抗震能力，研制新的建筑材料可推动高层建筑结构抗震技术的发展。通过优化的抗震方法设计，来实现高层建筑的抗震要求。按照结构综合抗震能力的要求采取抗震措施时，对同一建筑结构不同的楼层和不同部位的构件，其构造措施的基本要求不同。当同一建筑结构不同部位的性能要求有明显差异时，也可有响应不同的基本要求。设计人员在掌握整个结构抗震措施的基本原则要求和构造基本抗震措施的基础上，发挥主观能动性，通过优化方法设计出满足抗震设防标准的建筑结构。
　　4.2计算机模拟抗震试验得到广泛应用
　　将制作好的模型或结构构件放在模拟地震振动台上，台面输人某一确定性的地震记录，能够较好地反映该次确定性地震作用的效果。
　　5.结语
　　地震是一种目前难以准确预测的自然灾害,为避免它给人类带来大的灾难。作为工程技术设计人员在建筑结构的研究和工程设计中,应从整体宏观的观点
　　出发,综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几方面内容,从而创造出更加安全、适用、经济美观的高层建筑;新型结构的出现，高性能材
　　料的发展，计算机技术水平的提高，促使人类建筑精品再上新的台阶。新型结构体系结构形式复杂，受力分析难度大，结构构件和组成部分成为今后新型结构体系设计和考虑的重点。新型结构体系的发展和广泛应用满足了现代社会对建筑物的使用功能和外观的要求，抗震的要求使结构的发展日益趋于成熟，抗震设计的研究成果将越来越多地被应用于建筑结构。

《高层建筑结构设计抗震设计探讨》

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