淺談高層建筑結構的抗震設計

任曉麗 崔仲和

摘 要：隨著經濟飛速發展和社會不斷進步，建筑物的高度越來越高，體型越來越復雜，如何提高高層建筑結構的抗震性能已經成為建筑設計的研究重點，本文重點介紹了高層建筑結構抗震設計的基本原則和基本方法。

關鍵詞：高層建筑；抗震設計；發展趨勢

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

高層建筑結構抗震設計目標

我國《建筑抗震設計規范》提出三個水準的設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。具體設計過程中是通過二階段設計方法來實現。

第一階段設計，按小震作用效應和其它荷載效應的基本組合驗算結構構件的承載能力，以及在小震作用下驗算結構的彈性變形；第二階段設計，在大震作用下驗算結構的彈塑性變形，以滿足第三水準抗震設防目標的要求。第二水準抗震設防目標是以抗震構造措施來保證的。

高層建筑結構抗震設計的原則

1、結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能；結構構件應遵守強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件，強底層柱（墻）的原則，對結構的相對薄弱部位采取提高抗震能力的措施。

2、盡可能設置多道抗震防線；一個抗震結構體系應該由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協同工作，強烈地震之后往往伴隨多次余震，如果只設一道防線，結構在第一次破壞之后再遭受余震，將會因為損傷積累而導致結構倒塌。

3、適當處理結構構件的強弱關系；在抗震設計中某一部分結構設計較強，會造成結構的其他部位相對薄弱，同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使有效屈服保持較長階段，保證結構延性。在抗震設計中應控制薄弱層，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。

高層建筑結構抗震設計

抗震措施

在結構的抗震設計中，除了要考慮概念設計，結構抗震驗算外，歷次地震后在限制建筑提高結構延性方面總結的經驗也至關重要。當前，在抗震設計中從概念設計，抗震驗算，構造措施三方面入手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，并通過一些結構措施如隔震措施。效能減震措施等來減少結構上的地震作用，使建筑結構在地震中保持良好的抗震性能。目前，強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件在提高結構延性方面的作用已得到普遍認可。

高層建筑抗震方法

針對高層建筑結構的特殊性質，分別從以下幾個方面考慮抗震設計：

地基選擇：高層建筑應該選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或者密實均勻的中硬土場地，遠離河岸，避開不利地形，避免在斷層，山崖，滑坡，地陷等抗震危險地段建造高層建筑。

有利的房屋體型：一棟房屋的動力特性基本取決于它的建筑布局和結構布置。建筑布局合理，結構布置符合抗震原則，就從根本上保證了結構良好的抗震性能。抗震性能良好的房屋具有一下特點：平面形狀簡單對稱，立面變化均勻，房屋高度合適，房屋高寬比適中，基礎埋深滿足要求，防震縫設置合理。

合理的結構布置：高層建筑結構平面宜簡單規則，剛度和承載力分布均勻，避免結構因為質心和剛心不重合導致扭轉振動明顯，甚至導致整個結構因為一側結構失效而倒塌。結構豎向體型宜規則均勻，結構的側向剛度宜下大上小，逐步均勻變化。避免因存在薄弱樓層導致層間位移加大而危及整個結構安全。

控制結構變形：地震時建筑物的破壞程度主要取決于主體結構變形的大小。水平地震作用下高層建筑結構各樓層的側移主要包含四種，整體剪切變形，整體彎曲變形，整體平移，整體轉動。對于不同的的結構，應該采取不同措施來控制結構的變形。減小結構側移的途徑主要有：減小框架的柱距和梁的跨度，采用彎-剪雙重抗側力體系，設置剛臂，豎向支撐的交錯布置，變平面構件為立體構件，圍護結構參與抗震，傾斜立面和扭轉體型的利用，加大房屋等效寬度等。

確保結構的整體性：地震中，導致房屋破壞的因素有一下三種類型：結構喪失整體性，構件強度不足，地基不均勻沉陷。其中第一種后果最為嚴重。為了加強結構的整體性，應使結構具有連續性，保證構件間的可靠連接，提高結構的豎向整體剛度。

高層建筑結構抗震設計的未來發展趨勢

1、動力時程響應分析的狀態空間迭代法

動力時程響應分析的狀態空間迭代法是把現代控制理論中的狀態空間理論應用到高層建筑結構動力響應問題中，根據結構動力方程，引入速度與位移為為狀態變量，導出狀態方程，給出非齊次方程的解，進而建立狀態空間迭代計算格式。經過工程實例驗算，動力時程響應分析的狀態空間迭代法對多自由度體系的多輸入、多輸出問題的動力響應解法效率較高，具有比較高的精度。

基于位移的結構抗震設計

基于位移的結構抗震設計是一種全新概念的結構抗震設計方法，它要求進行定量分析，使結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求。除了驗算構件的承載力外，還要控制結構在大震作用下的層間位移角限制或位移延性比。

基于位移的抗震設計第一步首先要研究簡單結構的構件變形與配筋關系，實現按變形要求進行構件設計，進而研究整個結構進入彈塑性后的變形與構件變形之間的關系，基于位移的結構抗震設計是結構抗震設計的發展趨勢。

材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析

材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析綜合考慮了地震烈度的隨機性及模糊性、烈度等級界限的隨機性與模糊性、對結構抗震可靠度影響的材料參數變異性，改變了過去對結構可靠度的研究只是單純考慮荷載的不確定性而忽略了其他不確定性因素。材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析的研究成果可用于指導基于可靠度理論的結構抗震設計并對現有的結構進行抗震可靠度評估。

隔震和消能減震設計的推廣和應用

目前，世界各國普遍采用的傳統抗震體系只是適當控制結構的剛度，但是容許結構構件在地震時進入非彈性狀態，這種抗震體系也稱“延性結構體系”，這種體系具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應，但是在很多情況延性結構體系具有一定的局限性。隨著社會的不斷發展，傳統的抗震結構體系和理論越來越難以滿足要求，而由于隔震和效能減震控制體系具有傳統抗震體系難以比擬的優越性，在未來的建筑結構中將得到廣泛應用。

結束語

地震是一種隨機振動，具有難于把握的復雜性和不確定性，很難準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數。經濟和安全是結構抗震設計的重要因素，隨著社會進步和建筑業的發展，對建筑的抗震設計要求也越來越高，如何從我國高層建筑抗震設計現狀出發，探求一種實用可行的抗震設計方法已經成為地震區高層建筑發展的新方向。