高層建筑的結構抗震分析與設計研究

【摘要】：高層建筑的結構抗震性能對建筑安全起著至關重要的作用，本文主要對高層建筑的結構抗震分析和設計進行研究，利用國內現行規范，就高層建筑的結構抗震分析與設計中常見的問題和新的趨勢進行重點探討。

【關鍵詞】：結構抗震;高層建筑;抗震分析與設計

當下，我國高層建筑發展迅速?？拐鸱治雠c設計是結構設計的重要內容，高層建筑更是如此。我國是一個地震多發國家，這就要求我們的建筑必須能經受得住地震的考驗。這些種種都要求結構工程師對高層建筑的結構抗震分析與設計有足夠清晰的理解和認識，工作中采取安全可靠的抗震措施和方法提高高層建筑的抗震性能，從而達到“小震不壞、中震可修、大震不倒“。

一、規范對結構抗震分析與設計

我國現行的《抗震規范》對抗震分析與設計計算是基于多遇地震作用的考慮，按照反應譜理論進行地震作用的模擬分析，用彈性力學方法計算內力和位移變化，然后用極限狀態方法設計出結構構件。

結構彈塑性分析可分為彈塑性動力分析和彈塑性靜力分析兩大類。彈塑性動力分析，采用桿模型和層模型等簡化的結構計算模型。桿模型計算的優點是可以得到桿件狀態隨時間的變化過程，也可得到各樓層的反應。但耗時多、費用昂貴、結果數據量大且分析比較繁冗，在國外也極少采用。層模型計算能得到各樓層的反應，例如層剪力、樓層側移和層間轉角、層間位移延性比等，它主要是從宏觀上即層間變形檢驗結構在大震作用下的安全性。層模型計算的數據相對較少，適宜于進行宏觀檢驗，也便于計算多條地震波作用。但無論是采用桿模型還是層模型進行彈塑性時程分析，計算結果受地震波的影響較大且不存在唯一答案，有時難以判斷。

曾經有一些學者提出彈塑性靜力分析方法用于結構抗震分析。這種方法有較多優點。由彈塑性靜力分析，可以了解結構中每個構件的內力和承載力的關系以及各桿件承載力間的相互關系;檢查是否符合強柱弱梁，并可發現設計的薄弱部位;還可得到不同受力階段的側移變形，給出“底部剪力一預點側移”關系曲線以及“層剪力一層間變形”關系曲線等等。后者即可作為各樓層的“層剪力一層間位移”骨架線，它是進行層模型彈性時程分析所必須的參數。只要結構一定，其結果不受地震波的影響，只與初始樓層水平荷載的分布有關。

二、結構抗震分析與設計中的問題

1.設計高度問題

國內的《高規》規定綜合考慮經濟與適用的原則，確定出了各種常見結構體系的最大適用高度。

這個高度是在我國目前建筑科研水平、經濟發展水平和施工技術水平下，較為穩妥的，也是與目前整個土木工程規范體系相協調的。對于超高限建筑物，應當采取科學謹慎的態度。因為在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態會發生很大的變化，隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍，如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。

2.結構體系問題

在地震多發區，采用何種建筑材料或結構體系較為合理應該得到人們的重視。我國150m以上的建筑，采用的三種主要結構體系（框一筒、筒中筒和框架一支撐），這些也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外特別在地震區，是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了90%。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大地震作用的考驗?；旌辖Y構的鋼筋混凝土內筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高達90%以上。由于結構以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規范側移限值。此外，在結構體系或柱距變化時，需要設置結構轉換層。加強層和轉換層都在本層形成大剛度而導致結構剛度突變，常常會使與加強層或轉換層相鄰的柱構件剪力突然加大，且加強層伸臂構件或轉換層構件與外框架柱連接處很難實現強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉換層時，要慎重選擇其結構模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

3.抗震措施與構造措施在某些項目中設計較低。

現在許多專家學者提出，現行的建筑結構設計安全度己不能適應國情的需要，認為我國“取用了可能是世界上最低的結構設計安全度”并主張“建筑結構設計的安全度水平應該大幅度提高”。此外，對于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個抗震設計原則，在新形勢下也有重新審核的必要。

設防標準低的根本原因在于國家財力物力有限。我國建筑結構抗震設計除了設防烈度較低外，具體抗震計算方法和構造規定的安全度也不如國外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上，與外國相比，也有異同。隨著社會財富的增長，結構失效帶來的損失愈來愈大，加之結構造價在整個投資中的比例下降，因而有人主張結構在設防烈度下應該采用彈性設計，特別是高烈度區要有嚴格的抗震措施與抗震構造措施來保證結構的安全。

三、結構抗震分析與設計的新方向

（1）基于性能的結構抗震設計現場理論方法。

上世紀90年代美國學者Bertero. R和Bertero. V. V等研究人員首先明確提出了基于性能的抗震設計概念，這種方法主要是將結構的性能目標轉化為破損指標和位移需求，并且對基于性能的抗震設計進行了持續的研究，并將其作為新一代的抗震設計方法。

（2）動力時程響應分析的狀態空間迭代法。

這種方法把 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。根據結構動力方程，引入位移與速度為狀態變量，導出狀態方程，給出非齊次狀態方程的解，進而建立狀態空間迭代計算格式。經工程實例驗算，具有較高精度。特別對多自由度體系的多輸入、多輸出等問題的動力響應解法，效率較高。

（3）材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析。

該方法從結構整體性能出發，改變過去對結構抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數的變異性，地震烈度的隨機性，烈度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。研究成果可用于對現有的結構進行抗震可靠度評估，并可用于指導基于可靠度理論的結構抗震設計。

結論：

高層建筑的結構抗震是結構設計的一個重要環節。設計的合理與否直接影響房屋的質量和人民的生命、財產安全。隨著建筑結構抗震相關理論研究的不斷發展，結構抗震設計思路也經歷了一系列的變化。針對不同工程的特點和結構設計情況，特別是對于工程的超限情況，抗震設計的技術措施應當比現行規范要求更為嚴格，以便設計出更好的建筑結構，從而保證建筑的安全和質量。

參考文獻：

[1]張達明;杜嘉斌.超限高層抗震性能設計方法總結[J].低碳世界2016（14）

[2]王丹.淺析高層建筑結構抗震設計[J].消費導刊，2008（11）.