高層建筑結構抗震超限設計分析

張碩南

（悉尼大學 坎伯敦新南威爾士州 2006）

0 引言

高層建筑的結構設計中，提升抗震的性能是關鍵點，只有充分注重從超限設計方面加大力度，保障設計工作和實際要求相契合，才能保障建筑結構抗震性能有效提升。要注重在高層建筑結構抗震超限設計中，相關設計人員能從多維度進行考慮，保障各細節的設計質量，如此才能保障高層建筑結構的質量。

1 高層建筑結構抗震超限設計目標以及要求

1.1 高層建筑結構抗震超限設計目標

高層建筑結構抗震超限設計要能按照既定的目標執行操作，使之設計能符合高層建筑結構抗震的性能要求。從性能的角度出發，對于高層建筑結構的設計就要能從不同設防水平地震作用角度出發，按照抗震性能目標來設計相應性能水平的結構。當前對于結構性能水平劃分還沒有統一標準，圖1所示的基本性能目標，以及重要性能目標和安全臨界性能目標狀況內容[1]。不同的數字代表不同的目標內容，如1代表的是基本性能目標；2是代表重要性能目標；3是代表安全臨界性能目標。性能目標是高層建筑結構抗震設計中的關鍵，是在發生地震中的預期性能，在建筑結構的實際設計當中，就要能充分注重從不同的性能目標方面加強重視，保障結構設計的質量。

圖1 高層建筑結構性能目標參考

1.2 高層建筑結構抗震超限設計要求

保障高層建筑結構抗震超限設計質量，這就需要按照相應的要求，從以下幾點要加強重視：

（1）按照三水準標準。高層建筑結構抗震超限設計的要求比較高，所以這就要求設計人員在具體設計時候能按照三水準檢查要求標準。抗震設計和建設后，小規模內地震影響不影響建筑使用。中級地震后工程自身功能能有效維持，損壞也能采用修復進行恢復。大地震的時候建筑工程不會大規模坍塌。達到三水準的設計要求，才能真正有助于提升建筑結構抗震設計的質量，保障建筑工程的整體質量[2]。

（2）設計要具體化。由于高層建筑結構的抗震超限設計中面對的內容比較多，這就需要在關鍵環節的設計方面能從多方面進行優化，保障不同環節的設計要細化具體，從而才能提升整體建筑結構抗震設計的質量。超限高層建筑實際設計當中，需要對建筑截面結構詳細考慮，這是提升抗震設計質量的重要因素。進行第二階段的設計中，需要對建筑的彈性設計質量得以控制，避免地震時候發生嚴重坍塌的問題。

（3）遵循科學原則。建筑結構抗震超限設計當中需要按照相適應的原則，才能有助于提升設計的整體質量。設計中要依照強剪弱彎以及強柱弱梁的原則進行開展設計，這是保障建筑結構抗震性能的重要舉措，是提升結構設計合理性的重點[3]。通過強化建筑結構強度以及剛度，從整體上提升建筑結構抗震性能，才能真正有助于建筑的安全使用。

2 高層建筑結構抗震超限設計要點及設計實例

2.1 高層建筑結構抗震超限設計要點

高層建筑結構的設計，相關設計人員就要在抗震超限的設計方面進行積極優化，保障各環節的設計質量都能得到有效控制。以下幾點設計的要點要嚴格控制：

2.1.1 結構設計的規則化要點

面對當前人們對高層建筑結構抗震設計的要求不斷提高，設計人員就逃能從多方面進行考慮和優化，充分注重在結構的設計質量控制方面加強重視，保障建筑結構設計的規則化。只有在設計中工作人員能綜合考慮，和建筑應用需求相結合，將建筑功能以及規劃的合理性符合實際需要，最大化和建筑設計要求相滿足，才能提升設計的質量。設計施工環節將建筑扭轉剛度的要求要能滿足，避免由于結構因素對抗震性能以及結構安全產生不利影響，設計時候要能按照對稱以及均勻的要求，布置剪力墻的時候就要能夠注重結構薄弱點，避免由于在特殊狀況下對建筑物造成損壞影響以及坍塌風險發生[4]。高層建筑如果是出現意外坍塌，所造成的危害和損失是比較巨大的，為避免這一事故發生，這就需要相應設計人員自身要不斷提升專業水平，能夠在結構抗震超限設計的質量上得以有效控制，避免發生后期的安全事故。

2.1.2 結構層間位移設計要點

為能保障結構的抗震性能，相關設計工作的實施中，就要從層間位移的控制環節加強重視，高層建筑結構超限設計方面完成全方位探討是比較必要的，如在工程價格系統以及材料選擇方面是比較重要的，高度比和側向荷載等因素也是比較重要的考慮因素，從這一工作方面得到了強化，就能有助于提升結構設計的整體質量。設計中和具體高層建筑工程的設計要求相契合，保障結構穩定，提升結構抗震性能，將結構抗震性能的作用得以良好發揮。

2.1.3 平面規則結構超限設計要點

高層建筑結構抗震超限設計要能針對不同的狀況采取相適應的設計方法加以靈活運用，對于平面規則超限結構的設計中，設計人員就要注重運用彈性樓蓋模型，依照分塊剛性樓板和局部彈性板計算，對扭轉耦聯效應也要能充分考慮[5]。對于凹凸不規則以及樓板局部沒有連續的狀況，運用和樓板平面內剛度變化彈性樓板計算模型，這就能有助于提升計算的精確度。對于樓板應力集中的部位以及弱連接樓板，就要通過增大樓板厚度以及增加板內配筋等方式進行強化，這是提升結構靠枕性能的重要舉措。設計中對于平面不規則的，以及樓板的聯系比較薄弱的時候，就能通過變形縫來把結構分成諸多子結構，通過結構扭轉效應明顯的建筑使用抗側力構件在平面布置中對稱，這樣能強化外圍豎向構件抗側剛度強度提升。

2.1.4 結構設計優化方法

為能保障高層建筑結構抗震超限設計的質量，從設計的方法優化層面加強重視就顯得格外重要。對于超限高層建筑結構設計需要在設計人員對同種結構單元性質和地基性質保持一致，結構的形式要能相同。設計中和位移結構抗震法相結合，保障結構變形能力和設計固定中形變要求相符合，制定科學有效的減震方案，在結構承受力方面進行驗證。除此之外，控制建筑剛度也是比較重要的，結構計算表格當中剛度呈現周期性規律，這對主體結構位移會產生影響，設計中就要注重就剪力墻結構開動以及建筑截面等尺寸大小進行優化調整，保障達到抗震的設計目標。

2.1.5 豎向規則建筑結構超限設計要點

就不同的高層建筑結構抗震超限設計，就要能采用相適應的設計方法，從整體上提升設計的質量。豎向規則超限建筑的設計當中，需要從幾個要點上加強重視，如在立面收進引起的超限方面，運用臺階形多次內收立面，就要保障結構位移沿著豎向不發生突變的現象，結構扭轉效應要能得以有效控制[6]。對于收進部分豎向構件和樓板要注重強化，收進出現了偏心的問題，底部結構會受到扭轉產生內力，驗證抗震的性能是比較必要的。立面開大洞的建筑就要注重洞口四角和洞邊的質量控制，從這一層面得到了強化，就能有助于提升設計的綜合質量。

2.2 高層建筑結構抗震超限設計實例

某地一高層的酒店建筑結構抗震超限設計當中，建筑是兩幢高層建筑，一號是地上15層，高度達到60m，2號建筑是地上20層，高度達到70m。建筑由于是處在地震發生區域內，所以設計中轉換結構體系超過技術規程，在設計中對建筑落地剪力墻以及框支柱軸壓比進行了控制，保障落地剪力墻軸壓比的極限值達到0.4，而框支柱軸壓比的限值是0.5，設計成特一級。整體結構的設計分析過程中，對單向地震作用雙向地震作用計算分析[7]。抗震設計當中對于結構不規則的特征分析，保障結構鋼心和質心的重合，提升抗震的性能。

3 結語

綜上而言，高層建筑結構的實際設計當中，通過超限高層建筑結構的良好設計，這就能為建筑工程的整體質量控制打下堅實基礎。結構抗震設計涉及到的內容比較多樣，需要設計人員從不同的角度進行考慮。從而保障各設計環節的質量，從整體上提升建筑結構的安全性能。