高層建筑結構抗震分析和設計的探討

【摘要】本文圍繞高層建筑結構抗震問題，分析了地震作用下高層建筑的破壞特點，以及我國高層建筑結構的抗震設防目標，在此基礎上，本文提出了高層建筑結構抗震設計的方法。

【關鍵詞】高層建筑；抗震設計；破壞

一、前言

近年來我國高層建筑逐漸增多，并且高度不斷提高，做好高層建筑結構的抗震設計變得至關重要。只有深入分析地震作用時高層建筑的破壞原理，并考慮各種建筑結構因素，才能夠優化抗震設計方案。

二、地震作用下高層建筑結構的破壞特點

1、地基方面

（一）在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增加；

（二）地基土液化導致地基不均勻沉降，從而引起上部結構損壞或整體傾斜；

（三）建造在不利或危險地段的建筑，因地基破壞導致房屋損壞；

（四）當建筑結構的基本周期與場地自振周期相近時，因共振效應破壞程度將加劇。

2、結構體系方面

（一）采用“填墻框架”的房屋結構，鋼筋混凝土框架結構平面內柱上端易發生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發生短柱型剪切型破壞；

（二）采用“底框結構”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴重；采用“填墻框架”體系的房屋，當底層為敞開式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴重破壞；

（三）采用鋼筋混凝土板、柱體系結構的建筑，因樓板沖切或因樓層側移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面。

3、構件形式方面

（一）在框架結構中，通常柱的破壞程度重于梁、板；

（二）配置螺旋箍筋的混凝土柱，當層間位移角達到較大數值時，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大抵抗能力；

（三）鋼筋混凝土框架如在同一樓層出現長、短柱并用的情況，短柱破壞較為嚴重[1]。

三、建筑抗震設防目標

我國以及國際上多個國家的抗震設計規范[2]，實質上都采用了結構能力設計原則和反應譜理論。在2001年版的《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中，我國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”。在新版的《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）中也有相同的提法，如此說明對于建筑的抗震設計，這樣的要求應該是不變的。它傳達出以下三個方面的含義：

其一、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。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[3]。

其二、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。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。

其三、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。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。

我國三個水準烈度的地震作用水平，是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”設計方法來實現的，其步驟如下：

1、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[4]；第二步是采用同一地震動參數計算出結構的層間位移角，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。

2、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。

四、高層建筑抗震設計方法分析

對于房屋結構抗震設計的研究，自1906年美國舊金山地震后逐漸開展起來[5]。目前已發展了許多抗震設計方法和思想。

1、場地和地基的選擇

建筑的場地以及地基的選擇對于高層建筑的抗震能力具有直接的影響，是建筑抗震設計的基礎。在進行建筑場地以及地基的選擇時，應該充分了解當地的地震活動情況，評估當地的抗震設計等級。對于一些不利于抗震設計的場地應該盡可能的進行規避，而實在無法規避的應該有針對性的做好相應的處理措施。在高層建筑地基選擇過程中應該盡可能的選擇巖石或者是其它具有較高密實度的地基土，盡可能的避開不利于抗震的軟性地基土。對于一些達不到抗震要求的地基應該采取相應的措施進行加固和改造，使其能夠符合相應的標準。

2、建筑結構的規則性

在進行建筑結構設計的過程當中，應該盡可能的做到規則，尤其是抗側力結構應該盡可能的簡單化，從而保證可靠性和承載力分布的均勻性。建筑結構的平面布置應該選擇形狀比較規則的圖形，這樣在發生地震的時候能夠確保建筑整體的承載力均勻分布。應該盡可能的避免不規則的結構平面，造成建筑結構質心和剛心出現交錯，這樣一旦出現地震，有可能因為承受不住而發生損壞，最終導致建筑由于某個構件的損壞而發生傾斜和倒塌。為了防止抗側力結構橫向剛度突然出現變化，應該使垂直方向的抗側力的截面積從上到下逐漸的遞減。

3、建筑結構材料的選取

高層建筑的結構材料質量的高低以及選擇的正確與否都會對抗震效果產生直接的影響。高層建筑的結構抗震設計在本質上就是對建筑中各個構件的延性進行整體的協調和把握，最后使建筑整體在發生地震的時候能夠保持穩定。在鋼筋的使用上應該盡可能的選擇韌性較高的產品。垂直方向受力鋼筋應該選擇熱軋鋼筋，等級至少達到HRB400級，而箍筋宜選用HRB335級和HRB400級熱軋鋼筋。但是在實際的建設過程中還要兼顧建筑的成本和造價控制，用盡可能少的材料達到最佳的抗震效果，在二者之間尋找一個最佳的平衡點。

4、隔震和消能減震設計

對于一些有特殊要求的高層建筑，除了一般的抗震設計之外，還需要進行隔振以及消能減震設計，從而達到最佳的抗震效果。首先在場地和地基的選擇上應該盡可能的選擇密實度較高的地基，從而在地震發生的時候能夠有效的減少地震能量對建筑的破壞，減少共振發生的可能性。根據建筑的實際需要設計建筑的隔震系數，選擇相應的隔震支座，同時考慮風力對建筑所產生的載荷。在建筑構件的選擇上應該使用延性較好的材料，從而減少地震能量對建筑的破壞。

五、結束語

綜上所述，高層建筑結構抗震設計的要點在于明確抗震的目標，分析抗震的要素，提出抗震設計的方案。高層建筑結構的抗震設計必須要從細節著手，從每一個環節優化抗震設計方案。

參考文獻

[1]肖峻.淺析建筑結構分析與設計[J].中化建設，2008，12.

[2]卞朝東，李愛群，婁宇，吳耀輝.高層連體結構振型及其參與系數的分析[J].建筑結構學報，2002，18（4）：8

[3]范小平.高層建筑結構概念設計和抗震設計中相關的幾個問題應用分析[J].福建建材，2011，（6）.

[4]付進喜.關于高層建筑中轉換層設計的幾個關鍵問題的探討[J].科技與企業，2011，（07）.

[5]王豪.帶轉換層的高層建筑結構抗震研究[D].重慶交通大學，2012，13