高層建筑結構抗震設計淺析

摘要：隨著建筑行業的發展，出現越來越多的高層建筑，高層建筑結構也越來越復雜，因我國是多地震國家，地震會造成建筑物災害發生，對人們的生命財產造成嚴重的損失，因此，對高層建筑結構進行抗震設計是非常重要的。本文首先分析了地震對高層建筑的影響，然后歸納了高層建筑抗震設計中出現的問題，最后詳細闡述了高層建筑結構抗震設計的要點。

關鍵詞：高層建筑；結構抗震；地基；抗震防線；隔震

一、地震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、如果混凝土柱配置螺旋箍筋，即使地震引起較大的層間位移，對柱以及核心混凝土作用并不明顯；

4、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、對于鋼筋混凝土柱、板體系的高層建筑，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“填墻框架”體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，因而容易發生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現象；

3、對于“填墻框架”體系的高層建筑，地震對采用敞開式框架間未砌磚墻的底層破壞嚴重；

4、對于框架-抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大；

5、對于“底框結構”體系的高層建筑，地震嚴重破壞剛度柔弱的底層。

（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。

（四）對高層建筑剛度分布方面

1、對于采用L形以及三角形等平面不對稱的高層建筑，地震作用能夠使建筑結構發生扭轉振動，因而損害現象嚴重；

2、對于采用矩形平面布置的高層建筑結構，如果該建筑的抗側力構件（如電梯井等）布置存在偏心情況時時，同樣會使建筑結構發生扭轉振動。

二、高層建筑抗震設計中出現的問題

（一）部分建筑物高度過高

按我國現行高層建筑混凝土結構技術規程規定，在一定設防烈度和一定結構型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個適宜的高度。在這個高度上抗震能力還是比較穩妥的，但是目前不少高層建筑超過了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性會發生很大的變化，建筑物的抗震能力下降，很多影響因素也發生變化，結構設計和工程預算的相應參數需要重新選取。

（二）地基的選取不合理

由于城市人口的增多和相對空間的縮小，不少建筑商忽略了這一問題，哪里商業空間大就在哪里建。高層建筑應選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻中硬土場地，遠離河岸，不應垮在兩類土壤上，避開不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段建造房屋。高層建筑的地基選取不恰當可能導致抗震能力差。

（三）材料的選用不科學，構造體系不合理

在地震多發區，采用何種建筑材料或結構體系較為合理應該得到人們的重視。由于我國建筑結構主要以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規范側移限值。

三、高層建筑結構抗震設計的要點

（一）選擇合理科學的場地地基

選擇場地地基首先要依據實際工程需求，同時還要考慮地震活動情況。分析天然地基時的抗震承載力要按照不同的場地來進行，此外，根據不同場地來分析地震所導致的危害度。如果有必要，可使用規范的地基來進行處理。可根據地震強度、場地土的厚度、斷裂的地質歷史來明確避讓距離，從而對場地范圍內的地震斷裂的確定有利。一定要保證避開對不利的建筑地段來進行場地地基的選擇，如果依法避開，可以運用合適的抗震措施來進行。

（二）重視建筑結構的規則性

歷史上，因為建筑結構的不規則性對抗震效果產生不好的影響的例子，經常發生。因此，在高層建筑結構抗震設計過程中，需要防止嚴重外形不規則的設計方案。一個合理的結構，其平面布置需要符合下列幾點要求：

1、長度要適當，不能太長；

2、平面規則、對稱、不偏心；

3、角部重疊或細腰形的不能采取。

其豎向布置需要符合下列幾點要求：

1、體形應規則，防止過分外凸或內凹；

2、對于特別不規則的，不能防止的結構，運用大震作用進行結構易損部位（薄弱層）的塑性變形驗算。

（三）選擇合適的結構體系

高層建筑的抗震設計原則是“小震（烈度約為5.45度）不壞、中震（烈度為7度）可修、大震（烈度為8度）不倒”，這就要求建筑結構一定要具備一定的剛度、延性與承載力。在我國，高層建筑的結構體系大對數使用剪力墻結構、框架結構與框架剪力墻結構三種。其中，框架結構適用于普通高度的高層建筑；剪力墻結構適用于高層住宅；框架剪力墻結構則適用于綜合樓與辦公樓。

（四）設置多道抗震防線

由兩個與兩個以上同時延性較好的分體系組成一個好的抗震結構體系，這是由于發生地震時，通常帶有余震，若只有一道防線，很難防止由于某一結構損傷而導致整個結構坍塌。所以，在構建抗震結構體系時，首先要有最大可能數量的內外部冗余度，其次要建立一套分布完整的屈服體系，最后該體系的主要耗能構件一定要有較高的延性與充足的剛度，以確保建筑物在遭遇地震災害時，由于強烈的地震作用第一道防線崩潰的狀況下，抵擋后續地震波的沖擊還需要第二道、第三道防線。

（五）加強薄弱環節設計

“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”是我們在結構設計過程中始終要遵循的原則之一，這就要求我們要加強對薄弱環節的設計。在設計的過程中要注意以下幾點：

1、有目的性地控制薄弱部位，確保其在地震作用中，既有足夠的變形能力，又不發生位移。

2、要對構件的實際承載力進行分析，以此判斷薄弱層的基礎是否滿足抗震要求。

3、確保薄弱部位的實際承載力與設計彈性受力比保持在一個相對穩定的變化范圍內。

4、注意協調結構的整體剛度和承載力，避免局部過強。

（六）建筑結構消震和隔震設計

在消能減震與隔震設計方面，可以選擇密實度高的地基，還能運用下列幾點措施。

首先，在選擇結構構件材料上，要選擇延性好的，以消耗地震能量，確保在地震作用下建筑物不倒塌；

其次還可依據建筑的實際需求，設計適宜的隔震系數，設置某種隔震裝置在基礎和上部結構之間進行設置，致使地震能量降低向上部的輸入，進而使上部結構振動降低，基礎隔震類型主要有摩擦滑移隔震、疊層橡膠支座隔震、支承式擺動隔震、混合隔震、滾動隔震等；

除此之外，改變結構體系的動力特性，可對結構自身的某些構件作構造上的處理，或附加子結構系統或消能裝置在結構的一些部位。當前常用的消能減震裝置有摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器、勃彈性阻尼器、勃性液體阻尼器、鉛擠壓阻尼器等。

參考文獻

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