高層建筑抗震性能的設計研究

鐘順美

（重慶市設計院　重慶　渝中　400015）

高層建筑抗震性能的設計研究

鐘順美

（重慶市設計院重慶渝中400015）

隨著社會經濟不斷發展，我國城市化進程取得了進一步發展，高層建筑逐漸在城市各個角落迅速發展，然而，由于自然災害頻發，對高層建筑的抗震能力提出了更高要求，高層建筑抗震性能作為衡量一個建筑整體結構質量的重要標準，受到人們廣泛關注。因此，加強對高層建筑物抗震性的研究具有現實意義。本文對高層建筑抗震性能的設計進行了深入的研究。

高層建筑；抗震性能；設計分析

引言

隨著現代城市的發展，建筑物的外形越來越新穎多變，建筑物的高度也越來越高。這也使得建筑設計師與結構設計師之間的矛盾越來越突出，其主要矛盾的由來就是建筑結構的抗震設計要求。我國現行建筑抗震設計規范的要求，尤其是對高層建筑的體形等多方面有明確限制要求。本文對高層建筑抗震性能設計進行詳細闡述。

1　我國建筑業中的抗震現狀分析

我國現代抗震設計發展的歷史：我國較為系統的抗震設計文件（試行）始于1974年，在此之前雖然也做了大量的資料及數據收集工作，但由于之前的建筑物層數較低，平面布局較為簡單，地震發生地點多為偏遠、人稀地區，震害影響較小，具體經驗不足，一直未能形成統一技術規定。通過很多震區震后的工程實例，可以看到，采取抗震設計的房屋，所受的地震破壞程度大幅度降低，但是由于地震災害的不可預見性及復雜性的特點，也要求結構設計人員不能照本宣科，還須具體工程具體分析。雖然抗震設計規范多次修改，但我國抗震設計的基本思想變化不大。對于建筑形體設計要求還是平面基本規則，豎向規則，整體建筑簡單為主。這些抗震設計的基本要求是限制建筑設計方案發展的最主要一點。

2　提高高層建筑物抗震性能的有效對策

2.1緩沖地震壓力

高層建筑物結構設計之初，應采用基于位移結構抗震方式和方法，對設計方案進行多次測量，確保整個建筑結構能夠滿足預期地震壓力下的形變要求，確保建筑物在小地震影響下，不會出現倒塌等嚴重情況，影響到居民人身安全。另外，除了考慮高層建筑物縱向位移，還需要衡量其橫向位移，結合建筑物界面應變分布情況，夯實地基，確保高層建筑在穩定的場地上施工，緩沖地震壓力，有效提高高層建筑物結構穩定性。

2.2積極采用抗震措施

目前，我國大多數高層建筑一般采用延性結構提高整個結構的抗震性能，確保結構構件具有較大延性塑性狀態，緩沖地震對建筑物的影響力，減輕地震對建筑物的破壞，即便是一些高層建筑物承載力并不高，但是，如果其具有較強的延性，抗震性能也會有所提升，這主要是延性構件在遇到地震時，能夠有效吸收地震釋放的能量，實現建筑物只裂不倒目標。隨著科學技術不斷發展，為高層建筑提升抗震性能提供了支持，阻尼器在高層建筑物中的應用，能夠有效減輕地震強度，吸收地震釋放的能量，從而提高建筑物抗震性能。

2.3選擇質優建筑材料

高層建筑結構的各項性能是否能夠得到的實現，僅僅停留在建筑形式和機構的設計上是不夠的，設計好了只是一個良好的開始，建筑結構的材料選擇也是十分關鍵的，這就要求結構設計師不僅要具備充分的理論知識，同時也需要對各種抗震性能較好材料有一個全面客觀的認識，并且能夠根據施工環境和區域特點適當的進行材料和建筑結構選擇。在各種新型建筑材料和結構出現在人們的視野當中的時候，實用又經濟的施工材料的選擇顯得尤為重要，站在抗震性能的角度來看，延伸性能較好的材料則是首選，再者，按照高層建筑結構的抗震性能優越性來說，鋼結構、鋼筋混凝土結構在目前的建筑結構中應用的較為普遍，而且相對來說也是穩定性能比較好的。

2.4重視建筑結構設計

為了能夠有效提高高層建筑抗震性，應重視建筑結構抗震的設計。目前，我國鋼結構加工制造能力較強，在建筑施工過程中，可以采用鋼骨混凝土等結構，減少柱斷面尺寸，增強建筑物抗震性能。另外，我國傳統思想觀念中，強調以柔克剛，在工程設計過程中，可以轉變傳統建筑抗震模式，通過柔性模式，來增強建筑物抗震性。例如：拱形結構等。拱形結構能夠分解建筑物整體負載力，有效增強建筑物抗震性。

2.5加強抗震防御建設

除了從高層建筑物結構內部進行優化，提升抗震性，還可以從外部設置多重抗震防線，即便在遇到地震時，第一層防線遭到破壞，后續還有更多防線能夠有效保護建筑物。高層建筑在抗震防御建設過程中，可以通過設置多個肢節和壁式框架，有效地完成建筑物防御建設。框架剪力墻作為現代高層建筑一種結構，以其自身具有較好的多道防線抗震結構，受到越來越多的關注，并得到廣泛普及和應用。同時，要適當增加剪力墻數量，增強其承載能力，另外，在剪力墻之間應搭建連梁，將獨立的剪力墻構成一個整體，滿足現代高層建筑抗震性需求，從而有效保障居民人身、財產安全。

3　實例分析高層建筑的抗震性能設計

3.1工程概況

本工程地下2層，地上42層，層高3.0m，建筑主體高度為129.0m。地下2層為設備用房，地下1層為自行車車庫等，地上除1層設入戶大堂外，其余均為住宅；采用剪力墻結構、樁筏基礎。抗震設防烈度為Ⅷ度（0.2g），抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第三組，剪力墻抗震等級為一級。橫向剪力墻厚度：端部橫墻1層為500mm，2～5層為450mm，6～32層為400～300mm，32層以上為250mm；其余部位橫墻厚度1～26層為350mm，300mm，250mm，26層以上為300mm，200mm；縱墻厚度：1～5層為600mm，500mm，6～23層為600mm，450～300mm。混凝土強度等級：地下2層～地上5層為C50，6～27層為C40～C35，其余為C30；鋼筋采用HRB400。結構安全等級為二級，結構設計使用年限為50年。標準層結構平面布置圖見圖1。

圖1　標準層結構平面布置圖

3.2抗震性能目標確定

針對本工程為大高寬比剪力墻結構超高層建筑，設計采用基于承載力的抗震性能分析方法。根據高規和抗規，結構抗震性能目標選定C級，即多遇地震、設防烈度地震、罕遇地震作用下，其性能水準分別為1、3、4。多遇地震性能水準1、設防烈度地震性能水準3的震后性能狀況與規范“小震不壞、中震可修”的基本設防目標一致，大震性能水準4的震后性能狀況高于“大震不倒”的基本設防目標。

3.3關鍵問題

3.3.1動力特性

X，Y向高寬比差異較大，兩方向動力特性難以相近，如圖2所示，本工程通過剪力墻的多種布置（含電梯井單片墻和井筒布置）計算比較和墻厚調整，使X，Y向平動周期比達0.83，基本接近0.85。

圖2　最大層間位移角曲線

3.3.2抗傾覆穩定

高寬比太大，寬度方向抗傾覆彎矩相對傾覆彎矩小很多，基底零應力區面積難以滿足要求。本工程按小震、中震和大震作用分別計算基底零應力區面積，擴大主樓地下室平面范圍，將主樓筏板基礎隨地下室一同擴大，并增設鋼筋混凝土扶壁墻以增大延伸部分筏板基礎的面外剛度，達到增大抗傾覆彎矩的效果，且將小震、中震作用下基底零應力區控制為零，大震作用基底零應力區面積控制在25%內。

3.3.3墻肢受拉

橫墻承擔Y向地震抗剪作用，不承擔X向地震抗剪作用，但X向中震作用下，端橫墻受拉效應明顯，甚至墻肢全截面受拉，且平均拉應力和最大拉應力均較大；Y向中震作用下，橫墻墻肢平均拉應力為零，但墻肢面內彎矩效應較大，墻端拉應力大于混凝土抗拉強度較多而嚴重開裂。外向縱墻肢承擔X向地震抗剪作用，不承擔Y向地震抗剪作用，但X向中震作用下，其平均拉應力雖然較小，但面內彎矩效應明顯使墻端拉應力顯著導致墻端嚴重開裂；Y向中震作用下，一側外縱向墻肢受拉效應明顯而另一側外縱向墻肢受壓效應明顯，兩側外縱向墻肢拉、壓效應形成抵抗力矩，兩側墻肢均因拉力和面內彎矩效應較大導致墻端嚴重開裂。針對中部樓層（20層）以下墻肢受拉效應明顯的問題，本工程在橫墻端部及外縱向墻肢端部增設型鋼或工字鋼暗柱，增大墻身豎向鋼筋配筋率以提高墻肢抗拉能力；降低外縱向墻肢軸壓比（較高規限值降低0.1），提高剪力墻抗震延性；設過渡層，減小剪力墻正截面承載力和水平抗剪承載力的豎向突變。

3.4抗震優化設計

①應優化兩方向剪力墻布置，使兩方向第一平動周期比接近0.85。②大高寬比剪力墻結構超高層建筑，除滿足小震作用下的抗傾覆穩定要求外，宜補充中震、大震作用下的抗傾覆穩定驗算。小震、中震作用下基底不宜出現零應力區，大震作用下基底零應力區面積不宜大于25%。③剪力墻主筋和連梁配筋多為中震控制，剪力墻須作中震抗彎不屈服和中震彈性性能設計，保證中震可修的抗震設防目標。④中震作用下，除端部橫墻在X向地震作用和一側外縱向墻肢在Y向地震作用下全截面受拉效應明顯外，其余墻肢均因面內彎矩較大而偏心受力效應顯著，導致墻端最大拉應力較大而開裂。計算時除應控制墻肢平均拉應力外，尚應控制墻肢受拉區最大拉應力，以滿足中震輕微損壞的性能目標。⑤外縱向墻肢在Y向中震作用下，一側受拉效應明顯，另一側受壓效應明顯。除控制平均拉應力和受拉區墻端最大拉應力外，應適當降低外縱向墻肢軸壓比限值，提高墻肢抗震延性。⑥針對墻肢受拉效應明顯的特點，應在墻端增設鋼暗柱以承擔全部拉力，提高豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋的配筋率以提高中震和大震作用下整體抗拉抗裂性能和抗剪承載力。鑒于外縱向墻肢受拉效應更為突出的特點，建議采用型鋼混凝土構件。⑦大高寬比剪力墻結構超高層建筑，采取抗震性能設計并采取相應加強措施后，可實現結構安全度要求，但宜考慮工程造價的合理性。

4　結束語

根據上文所述，高層建筑物作為城市發展中的重要組成部分，與城市居民人身、財產安全息息相關。因此，為了能夠促進城市建設更好地發展，抵御自然災害給建筑帶來的消極影響，應了解影響高層建筑物穩定性的因素，并采取有效措施，設計合理的建筑結構，選擇質優材料，積極采用抗震措施，加強抗震防御建設等，提高建筑物抗震性能，從而推動我國建筑事業進一步發展。

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TU973+.31

A

1673-0038（2015）23-0017-03

2015-5-17

鐘順美（1982-），女，工程師，碩士，主要從事工程結構設計方面的工作。