高層建筑結構的抗震性能分析與設計

臧 斌

連云港市正恒建設有限公司，江蘇連云港 222500

20世紀80年代以來，在我國經濟快速發展和科學技術不斷提高的推動下，城市建筑的層數和高度不斷增加，原來越多的高層建筑遍布大小城市。在高層建筑的安全因素中，地震作為一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用必須給予充分的考慮。特別是我國處于地震多發區，地震基本烈度6度及其以上的可能面積幾乎占到全國面積的60%。所以，高層建筑的抗震抗震性能分析與設計便成為我們不得不面對的迫切課題。

1 我國高層建筑的抗震性能分析

1.1 高層建筑抗震性能指標與計算

我國目前的高層建筑抗震規范（GB50021-2001）提出了三個水準的要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。基于這一標準，高層建筑的抗震性能指標設計基本上是以本地區今后50年內，可能遭遇超越概率為10%的地震烈度為基本烈度，應用反應譜理論計算地震作用，以極限狀態方法設計構建，并通過二階段設計法實現。1）第一階段按小震狀態作用和相關載荷效應的共同組合驗算結構構建可承載能力，得到該狀態下的結構彈性形變性，滿足第一水準抗震要求；2）第二階段進行大震或罕遇地震作用下的結構彈塑性變形驗算，達到第三水準抗震目標。由于經濟發展水平和相關設計理念的限制，我國高層建筑的結構性能安全度還有待大幅提高，在充分考慮空間作用、非彈性構件、材料失效和阻尼變化等因素的前提下，以更科學、嚴謹的設計與施工確保高層建筑具有足夠的抗震可靠性。

1.2 我國高層建筑的建筑材料和結構體系與國際先進國家存在的差距

我國高層建筑常用框架、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等幾種結構體系，盡管這些在國際先進國家也常常采用，但選擇的材料卻存在差異。在國外發達地區，高層建筑普遍以鋼結構為主，而我國鋼筋混凝土結構及混合結構卻占了90%。被建筑商屢屢看中的框架-核心筒體系，用鋼量比鋼結構少，還減少柱子斷面，所以鋼筋混凝土內往往要承受80%以上的震層剪力，有可能由于其彎曲變形引發較大側移。為了滿足規范側移限值，不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層。與鋼筋混凝土結構及混合結構相比，鋼結構的強度、韌性、延性和強度重量比更優越，抗震性能更好，抗震能力更強。

2 提高高層建筑的抗震性能的設計原則

2.1 選擇合理的高層建筑結構體系

合理選擇高層建筑結構體系，提高高層建筑承載能力、變形能力及消減地震能量能力，是實現建筑物安全性、經濟性的基礎。首先，要將抗震概念融匯在高層建筑設計中，全面考慮建筑物的平立面外形尺寸，抗側力構件布置、質量分布，承載力分布等諸多因素，提倡平、立面簡單對稱，構建規則的建筑布置，采取相應的抗震構造措施和細部處理，確保抗側力體系的剛度承載力上下變化連續、均勻。其次，要對有關建筑結構的彈塑性變形和建筑結構構件承載力實施嚴謹的驗算。建立起具有良好性能的多重抗震結構框架。主體抗側力結構剛度的選擇應大于規范的闕值，對結構層間位移實行控制。形成良好的塑性內力重分布能力，有效吸收和消耗地震能量所帶來的壓力。第三，遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱（墻）”的原則，對結構承載力、剛度、穩定性、延性等性能相對薄弱部位采取輔助措施。

2.2 盡量選擇抗震性能突出的結構材料

從某種意義上講，高層建筑結構體系的抗震能力，實質是不同建筑構件在地震來襲時其承載能力與延展能力的集合。這就要求我們在高層建筑中，根據建筑工程的條件，優選抗震性能突出的結構材料。按照抗震性能比較，不同材料的結構類型性能等級排序為：鋼結構、型鋼混凝土結構、現澆鋼筋混凝土結構、裝配式鋼筋混凝土結構、鋼筋砌體結構。目前我國鋼材產量巨大，供應充沛。因此，盡可能采用鋼結構或型鋼混凝土結構。通過減小柱斷面尺寸，提高結構的抗震性能。在高層建筑中還應注意選用新型建筑結構和材料，減輕結構自重。在相同地基處理的情況下，利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右，從而降低建筑體的重心，減小地震作用時傾覆力矩，提高建筑體穩定性，優化其抗震性能。

2.3 構設多道抗震技術措施

構設有效的技術措施是提高高層建筑抗震性能的重要因素。1）在建筑結構體系設計中保持比較充裕的內部、外部冗余度，適當處理結構構件的強弱關系，建立一系列分布的屈服區，使“有效屈服”保持較長階段，吸收和耗散地震能量；2）改變結構的動力學特性，采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震等方式，減少地震能量輸入，減輕地震引發的結構反應；3）采用新型復合材料鋼纖維混凝土，阻滯帶基體混凝土裂縫的形成，提高建筑混凝土的抗拉、抗彎、抗剪強度，改善建筑結構的抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性；4）采用鋼管混凝土柱。在鋼管混凝土組合結構中，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋。通過鋼管內混凝土受到鋼管側向約束導致的三向受壓，以及鋼骨本身良好的塑性，提高混凝土的延性、抗壓強度和極限壓應變。

由于高層建筑在我們的建筑史較短，還沒有經歷過太多地震的考驗，抗震設防仍然處在摸索階段。所以，我們應該清醒認識我國高層建筑結構的抗震性能，研究國際高層抗震設計發展的趨勢，為提高我國高層建筑結構的抗震能力做出應有的貢獻。

[1]牛發民.高層建筑的抗震結構分析與設計.建筑設計管理，2011(7).

[2]張小濤.高層建筑結構基于性能的抗震設計分析.城市建設理論研究，2011(9).

[3]梁興文.結構抗震性能設計理論與方法.科學出版社，2011，3.