試論超高層建筑結構的抗震性設計

劉國榮摘　　要：由于超高層建筑科技含量高、設計與施工過程復雜，所以仍存在一些亟待解決的問題，尤其是超高層建筑的抗震設計。本文論述了超高層建筑的含義及特點，重點從結構抗側剛度控制、性能化設計及多道設防等方面探討了超高層建筑的抗震性設計。關鍵詞：超高層建筑；抗震性；設計；側向剛度中圖分類號：TU31　　　　　　　　　　文獻標識碼：A

試論超高層建筑結構的抗震性設計

調查顯示，至今我國已落地建成和正處于建設或規劃期的超高層建筑超過百座以上，各樣式和各類型的超高層建筑紛紛涌現，不僅體現了人們的需求，也呈現出社會的發展趨勢和建筑設計類型的變化。本文在參考《建筑抗震設計規范》、《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的基礎上，充分考慮實用性、安全性、經濟環保性、抗側剛度需求、性能化設計及多道設防等方面展開抗震設計的探討。

1　超高層建筑

超高層建筑高度要求與結構類型和抗震烈度密不可分，超高層結構設計要進行兩種方法以上的抗震核算，并且進行抗震設防專項審查。世界超高層建筑有迪拜哈利法塔，高828m；廣州塔，高600m、上海環球金融中心，高492m等。超高層建筑因其超高的高度而具有不同于普通建筑和高層建筑的特點。首先，對于超高層建筑，傳統的磚、石等材料已難以適用，其結構類型也更具選擇多樣性，如鋼筋混凝土結構、全鋼結構和混合結構等。其次，超高層建筑的垂直交通與消防，由于其超高的高度，較依賴于垂直交通，同時也給消防增加了困難，這就要求超高層建筑的每一層都需設置靈敏的煙霧報警器、自動噴淋和適當的避難所。最后，超高層建筑通過對風作用效應、重力荷載作用效應、施工過程的影響、空間整體工作計算、結構整體內力與位移、抗震性能等設計計算分析，進而提高超高層的抗震性和安全性。

2　超高層建筑結構抗側剛度設計與控制

為了提高超高層建筑的抗震性，其足夠的結構側向剛度必不可少。足夠的結構側向剛度不僅可以保障建筑物的安全性、抗震性，還可在一定程度上有效抵抗建筑結構構件的不利受力情況及極限承載力下的安全穩定性。設計超高層建筑的結構抗震側向剛度，應重點從其結構體系和剛度需求進行。

2.1結構設計。結構初步設計根據建筑高度和抗震烈度確定高度級別和防火級別。超高層結構設計首先滿足規范要求的高寬比限值和平面凹凸尺寸比值限值，其次控制扭轉不規則發生：在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，扭轉位移比不大于1.4；最大層間位移角不大于規范限值的0.4倍時，扭轉位移比不大于1.6；混凝土結構扭轉周期比不大于0.9，混合結構及復雜結構扭轉周期比大于0.85。最后設計過程中嚴格控制偏心、樓板不連續、剛度突變、尺寸突變、承載力突變、剛度突變等現象。滿足結構設計規范的同時，還應考慮建筑師的設計意圖和功能需求，同時滿足設備專業設計要求。結構平面的規整程度直接影響著抗震設計的強弱，盡量采用筒體結構，以使得承受傾覆彎矩的結構構件呈現為軸壓狀態，且其中的豎向構件應最大程度的安置在建筑結構的外側。各豎向構件和連接構件的受力合理、傳力明確，降低剪力滯后效應，杜絕抗震薄弱層產生。

2.2結構側向剛度控制。超高層建筑的抗震性能設計主要與結構側向剛度的最大層間位移角和最小剪力限制相關。對于層間位移角限值，其是衡量建筑抗震性的剛度指標之一，地震作用應使得建筑主體結構具有基本的彈性，保證結構的豎向和水平構件的開裂不會過大。同時，因超高層建筑的底部樓層、伸臂加強層等特殊區域的彎曲變形難以起主導作用，所以應采取剪切層間位移或有害層間位移對其變形進行詳細的分析與判斷。對于最小地震剪力，其最重要的兩個影響因素是建筑結構的剛度和質量，當超高層建筑難以達到最小地震剪力要求時，設計人員應該結合具體情況適度的增加設計內力，提高其抗震能力和穩定性，然而，當不能滿足最小地震剪力時，還需通過重新設計或調整建筑結構的具體布置或提高剛度來提高建筑物在地震作用下的安全性，而非單純增高地震力的調整系數。

3　超高層建筑的性能化抗震設計

超高層建筑的抗震性能設計，國內主要根據“三個水準，兩個階段”，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。超高層建筑來說，其建筑工程復雜、高度極高、面積大、成本高，一旦受到地震損害，其損失程度會更高，因此，必須充分考慮各方理論、實際情況和專家意見，兼顧經濟、安全原則，定量化的展開超高層建筑的性能化抗震設計。同時，相關文件雖針對超高層建筑結構的性能化設計制定了較具體且系統的指導理念，涉及宏觀與微觀兩個層面。但是，由于結構構件會受到損壞，且損壞與整體形變情況的分析計算都

除了上述注意事項外，針對超高層建筑進行抗震性設計時，還因注重設計多道的抗震防線。多道抗震防線是指一個由一些相對獨立的自成抗側力體系的部分共同組成的抗震結構系統，各部分相互協同、相互配合，一同工作。當遭遇地震時，若第一道防線的抗側移構件受到損害，其后的第二道和第三道防線的抗側力構件即會進行內力的重新調整和分布，以抵御余震，保護建筑物。

目前，我國超高層建筑主要依靠內筒和外框的協同工作來達到提供抗側剛度的目的，包含兩種受力狀態：首先，建筑的內外結構通過樓板和伸臂析架來協調作用，進而使得外部結構承受了較多的傾覆彎矩和較少的剪力，?而內筒則承受了較大的剪力和一些傾覆彎矩，廣州東塔就是此受力方式的典型；其次，以交叉網格筒或巨型支撐框架為代表的建筑外部結構，其十分強大，依靠樓板的面內剛度，外部結構即可同時承受較大的傾覆彎矩和剪力，如廣州西塔。需進行專業的彈塑性靜力或動力時程計算，而目前我國尚未形成相關的定量化的評價體系，因此，設計人員應在積極參考ATC-40和FEMA273/274等規范。此外，對于彎曲變形為主導的建筑結構，在大震作用后應尤其注重構件承載力的復核。

4　超高層建筑多道設防抗震設計

結語

綜上所述，超高層建筑的抗震性能不僅關乎著建筑工程的投資，還威脅著人們的生命財產安全，因此，設計單位和相關工作人員必須樹立正確的觀念，積極學習并引進國內外的先進理念和設計，不斷提升自身的設計水平，為促進超高層建筑的發展奠定基礎。

參考文獻

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[2]JCECS 230：2008，高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程[S].

[3]林海，雷強，趙宏，汪洋.超高層建筑結構抗震設計探討[A].建筑結構抗震技術國際論壇論文集[C]，2013 .

作者簡介：劉國榮，男，1986年10月08日出生，畢業于呼倫貝爾學院，土木工程專業，現從事結構設計和土木工程施工工作。

劉國榮
摘要：由于超高層建筑科技含量高、設計與施工過程復雜，所以仍存在一些亟待解決的問題，尤其是超高層建筑的抗震設計。本文論述了超高層建筑的含義及特點，重點從結構抗側剛度控制、性能化設計及多道設防等方面探討了超高層建筑的抗震性設計。
關鍵詞：超高層建筑；抗震性；設計；側向剛度
中圖分類號：TU31文獻標識碼：A