高層建筑結構抗震設計

胡 垚

（長江大學 城市建設學院，湖北 荊州 434023）

隨著科學的發展和時代的進步,高層建筑如雨后春筍般出現。高層建筑的高度在一定程度上反映了一個國家的綜合國力和科技水平,世界著名的建筑更是建筑史上的紀念碑。但是如果高層建筑結構設計不清,結構布置不合理,不僅會造成大量的浪費,而且會給高層建筑留下結構質量的安全隱患。因此高層建筑的結構設計就顯得尤為重要了。

1 結構設計特點

（1）水平載荷是設計的主要因素。高層結構總是要同時承受豎向載荷和水平載荷作用。載荷對結構產生的內力是隨著建筑物的高度增加而變化的,隨著建筑物高度的增加,水平載荷產生的內力和位移迅速增大。

（2）側向位移是結構設計控制因素。隨著樓房高度的增加,水平載荷作用下結構的側向變形迅速增大,結構頂點側移與建筑高度的四次方成正比,設計高層建筑結構時要求結構不僅要具有足夠的強度,還要具有足夠的抗推強度,使結構在水平載荷下產生的側移被控制在范圍之內。

（3）結構延性是重要的設計指標。高層建筑還必須有良好的抗震性能,做到“小震不壞,大震能修?！睘榇?要求結構具有較好的延性,也就是說,結構在強烈地震作用下,當結構構件進入屈服階段后具有較強的變形能力,能吸收地震作用下產生能量,結構能維持一定的承載力。

（4）軸向變形不容忽視。高層結構豎向構件的變位是由彎曲變形、軸向變形及剪切變形三項因素的影響疊加求得的。在計算多層建筑結構內力和位移時,只考慮彎曲變形,因為軸力項影響很小,剪力項一般可不考慮。但對于高層建筑結構,由于層數多,高度大,軸力值很大,再加上沿高度積累的軸向變形顯著,軸向變形會使高層建筑結構的內力數值與分布產生明顯的變化。

2 建筑抗震的理論分析

（1）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。

（2）抗震設計的理論。擬靜力理論。擬靜力理論是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)。反應譜理論。反應譜理論是在加世紀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。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。

3 高層建筑結構抗震設計

（1）抗震措施。在對結構的抗震設計中,除要考慮概念設計、結構抗震驗算外,歷次地震后人們在限制建筑高度,提高結構延性(限制結構類型和結構材料使用)等方面總結的抗震經驗一直是各國規范重視的問題。當前,在抗震設計中,從概念設計,抗震驗算及構造措施等三方面入手,在將抗震與消震(結構延性)結合的基礎上,建立設計地震力與結構延性要求相互影響的雙重設計指標和方法,直至進一步通過一些結構措施(隔震措施,消能減震措施)來減震,即減小結構上的地震作用使得建筑在地震中有良好而經濟的抗震性能是當代抗震設計規范發展的方向。而且,強柱弱梁,強剪弱彎和強節點弱構件在提高結構延性方面的作用已得到普遍的認可。

（2）高層建筑的抗震設計理念。我國《建筑抗震規范》(GB50011-2001)對建筑的抗震設防提出“三水準、兩階段”的要求,“三水準”即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。當遭遇第一設防烈度地震即低于本地區抗震設防烈度的多遇地震時,結構處于彈性變形階段,建筑物處于正常使用狀態。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續使用。因此,要求建筑結構滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態驗算,要求建筑的彈性變形不超過規定的彈性變形限值。當遭遇第二設防烈度地震即相當于本地區抗震設防烈度的基本烈度地震時,結構屈服進入非彈性變形階段,建筑物可能出現一定程度的破壞。但經一般修理或不需修理仍可繼續使用。因此,要求結構具有相當的延性能力(變形能力)不發生不可修復的脆性破壞。當遭遇第三設防烈度地震即高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震時,結構雖然破壞較重,但結構的非彈性變形離結構的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發生危及生命的嚴重破壞,從而保障了人員的安全。因此,要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規定的彈塑性變形限值。

三個水準烈度的地震作用水平,按三個不同超越概率(或重現期)來區分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重現期50年;設防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重現期475年;罕遇地震:50年超越概率2%~3%,重現期1641~2475年,平均約為2000年。

對建筑抗震的三個水準設防要求,是通過“兩階段”設計來實現的,其方法步驟如下:第一階段:第一步采用與第一水準烈度相應的地震動參數,先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應,與風、重力荷載效應組合,并引入承載力抗震調整系數,進行構件截面設計,從而滿足第一水準的強度要求;第二步是采用同一地震動參數計算出結構的層間位移角,使其不超過抗震規范所規定的限值;同時采用相應的抗震構造措施,保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段:采用與第三水準相對應的地震動參數,計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節)的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規范的限值。并采用必要的抗震構造措施,從而滿足第三水準的防倒塌要求。

（4）高層建筑結構的抗震設計方法。我國的《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)對各類建筑結構的抗震計算應采用的方法作了以下規定:高度不超過40m,以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構,以及近似于單質點體系的結構,可采用底部剪力法等簡化方法;除1款外的建筑結構,宜采用振型分解反應譜方法;特別不規則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑,應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算,可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

4 高層建筑結構發展趨勢

隨著城市人口的不斷增加建設可用地的減少,高層建筑繼續向著更高發展,結構所需承擔的荷載和傾覆力矩將越來越大。在確保高層建筑物具有足夠可靠度的前提下,為了進一步節約材料和降低造價,高層建筑結構夠構件正在不斷更新,設計理念也在不斷發展，高層建筑結構也正朝著結構立體化、布置周邊化、體型多樣化、結構支撐化、體型多樣化、材料高強化、建筑輕量化、組合結構化、結構耗能減震化等方向發展。

5 結語

高層建筑物有效地減輕了住房壓力,同時也帶來了安全隱患,其結構設計非常重要。隨著設計理念的不斷發展,相信，高層建筑物必將朝著更加合理的方向發展。

[1]朱鏡清.結構抗震分析原理[M].北京：地震出版社，2002，（11）.

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