高層建筑結構抗震設計

劉利達

廣東遠順建筑設計有限公司

摘要：自然災害給我國帶來了巨大的經濟損失，特別是汶川地震給我國經濟帶來的經濟損失更是巨大。因此，對高層建筑的結構抗震設計進行探討具有重大意義。本文主要對高層建筑結構抗震設計中所遇到的問題進行分析，并提出對策。

關鍵詞：高層建筑；抗震設計；問題；對策

前言

我國不同城市地區對高層的層數限定不盡相同，由該地區的經濟發展程度決定。高層一般設為10層或以上，28m的住宅建筑均為高層建筑（ 引自JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程）。我國也是人員大國，對土地的需求量非常大，高層有效緩解土地緊張的窘迫狀況，促進了我國經濟的繁榮發展。由于我國地震災害頻發，高層的抗震設計受到建筑業界的關注。

一、高層建筑抗震相關設計

高層建筑抗震設計的原則是小震不壞，中震可修，大震不倒。高層抗震的結構設計應科學地根據建筑的高度、高寬比、抗震設防的類別和烈度，結構材料，場地類別以及施工技術條件等等來綜合考慮其結構體系。高層抗震設計具體涉及到以下幾方面：

（1）抗震措施：以概念設計及構造、驗算三個方面進行，抗震與消震相互結合探討結構延性與設計地震力相互制約，通過采取有效、經濟的結構措施進行消震，讓高層建筑抗震性能達到經濟性及優良的目的。

（2）確定抗震等級： 建筑設計部門應根據國家有關方面的規定，按照GB50233-2008 建筑工程抗震設防分類標準，以房屋高度、結構類型、烈度為依據，采用不同的抗震等級進行相應的具體設計。一般情況下會將抗震等級劃分為一級 二級 三級 四級這四個級別。

（3）確定抗震設防烈度： 所謂地震烈度是指國家主管部門依據地質 地理及史料等，經過科學地勘察以及驗證，對我國的主要城市和地區進行抗震設防（ 其類別分為甲、乙、丙、丁四類建筑） 和地震分組經驗數值。它是一個地域概念，一般情況下我國的大部分地區房屋的抗震設防烈度為8度。更具體的劃分情況如下： 甲、乙類建筑的抗震設防烈度一般要比當地的抗震設防烈度高出一度，但是當建筑場地為I類時，則與當地的抗震設防烈度持平即可； 丙類建筑的抗震設防烈度一般與當地的抗震設防烈度要求一致，但是當建筑場地為I 類時，則按當地的抗震設防烈度要求低一度采取抗震構造的措施（ 抗震設防烈度為6度的情況除外）。

總的來說，高層建筑的抗震設計應根據其抗震設防烈度、房屋高度、結構類型采用相應的抗震等級，并符合相應的抗震等級的構造措施的要求。

二、高層建筑抗震中常見的問題

（1）建筑物的高度問題

根據我國有關高層建筑技術的規定，高層建筑在一定的結構形式和設防烈度的基礎上必須要有一個適宜的高度，而且該高度還必須與我國的經濟發展水平、建筑的施工技術水平以及土建規范體系相適應。但是從當前的實際情況來看，還是有很多高層建筑超過了限定的高度。對于這些超出限定高度的建筑物，我們應采取專家論證以及振動臺實驗等科學方法，以科學嚴謹的態度相對待影響高層建筑的諸多因素在隨著高層建筑高度的增加在不斷發生著質變，超限建筑的安全指標、延性要求材料性能等參數會超出規范的使用范圍。

（2）選用的材料和結構體系不合理

建筑材料和結構體系的選取是否合理在地震高發地區是一件備受重視的事情。然而，在我國的地震常發地區，選取的建筑材料及結構體系大多是不合理的。在國內，150m以下的建筑采用的結構體系與國外一樣，主要是筒中筒，框架-支撐，框-筒這三種體系，但是外國的建筑大多是鋼結構，而我國則大部分是鋼筋混凝土結構和混合結構，而對于這么高的鋼筋混凝土建筑的抗震設計國內外都沒有較好的經驗，混合結構的鋼筋混凝土的內筒常常要承受七至八成的震層剪力，有時甚至高達九成，由于鋼筋混凝土的核心筒結構是以鋼筋混凝土結構的位移值為基準進行變形控制，如果該結構彎曲變形的側移較大，則需采用剛度很小的鋼框架來協助減小側移，但這種方法效果不明顯，還會加大鋼結構的負擔，因而有時候還須設置伸臂結構，或者是加大混凝土筒的剛度，以形成加強層，幫助達到規范側移限值； 另一方面，如果結構體系或者柱距發生變化了，就必須設置結構轉換層。加強層和轉換層產生的較大的剛度會引起結構剛度的變化，從而突然加大柱構件的剪力，造成轉換層構件之間 外框架柱連接處、加強層伸臂之間的強柱弱梁難以保證，所以，對于加強層和轉換層結構模式的選擇必須慎重，并盡可能地降低其剛度，防止造成不利影響。

（3）地基的選擇不合理

對于建筑物而言，地基的選擇尤為重要，因為它直接關系著建筑物的抗震能力。高層建筑因為其特性，它的地基應選擇在較為寬闊的土地上，并且保證土地質地堅硬，盡量避開滑坡、斷層等異形地形，但是開發商和建筑商們只追求經濟利益的最大化，往往選取那些利潤空間大的土地來進行施工，而不會考慮這些土地是否適合建設高層建筑，對地基的選擇不甚合理。

三、高層抗震設計的對策

（1）分析抗震可靠度

以前，設計人員只是單純從建筑負荷問題出發來分析和研究其抗震可靠性，而并沒有從整體上分析材料的參數變化，地震烈度的隨機性及模糊性對建筑物抗震可靠度的影響來進行綜合考慮 因此，我們應當將材料的參數變化，地震烈度的隨機性 地震烈度的模糊性作為進行抗震設計的依據，用以指導設計人員進行設計工作。

（2）以位移結構為依據進行合理的抗震設計

我國建筑物的抗震結構一般情況下是以承載力作為基礎的，因此，我們應該對結構的配筋與變形的關系有一個清楚的認識，并在此基礎上根據變形的結構來進行基礎的位移設計。此外，除了小震階段的計算之外，還應進行第二階段的抗震設計，即根據大震進行整體的統計和分析，這是我國抗震結構設計的未來發展趨勢。

（3）選擇新型的高性能材料及合理的結構體系

為提高高層建筑的抗震性能，降低其柱截面的尺寸，在有條件的地方應盡量使用鋼管混凝土結構、鋼結構、鋼骨混凝土結構及材料。而且在不同情況下對這些結構的選擇也不同，比如，超過一定高度的建筑物，應選擇鋼管或鋼骨混凝土結構及材料以便減小風振，而不應選用質量小并且較為柔軟的鋼結構。而且不同結構的建筑為了提高抗震性能選用的材料也不盡相同，比如，鋼骨混凝土構件的高層建筑，其選用的材料應為實腹式焊接工字鋼或大型型鋼，這樣在地震中受到的震害會比較輕微。

（4）改善短柱抗震性能

高層建筑整體框架的抗震能力必須滿足“強剪弱彎”的要求，其柱體也須滿足強柱弱梁的要求，這樣才能保證柱子不先于梁破壞、不發生剪切破壞。我們可以通過采取措施減少短柱的截面尺寸，以提高其延性和承載力，從而改善其抗震性能，具體的措施有： ①盡量使用復合螺旋箍筋，以提高短柱的抗剪承載力以及對混凝土的約束作用，從而提供短柱的抗震性能； ②采用分體柱，一般情況下短柱的抗剪承載力要小于抗彎承載力，因此我們可以通過削減短柱的抗彎承載力，使其與短柱的抗剪強度持平或略低，從而使短柱在地震作用下能先達到抗彎強度后再出現其延性的破壞； ③使用鋼管混凝土柱，鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式，其內部的混凝土在受到鋼管的側向約束之后會呈現三向受壓的狀態，從而大幅度提高混凝土的極限抗壓強度，使混凝土的延性得到極大地改善。

四、結束語

高層建筑的抗震設計是一個長期且復雜的過程，在這個過程中任何的疏漏都有可能導致設計過程更加復雜甚至出現安全隱患，因此，我們應嚴格按照規范及要求，總結國內外的先進經驗，開發更加合理 可行的抗震設計方案，使我國的抗震設計更加完善和完美。

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