超限高層建筑結構抗震設計分析

梁桂蘭

關鍵詞：超限高層建筑物結構;抗震效果;設計;性能分析

隨著建筑行業施工技術水平的不斷進步，各類新型建筑材料被廣泛應用，導致在城市化建設過程中建筑物的樓宇高度大幅度增加，超限高層建筑物數量激增。我國現如今超限高層建筑的數量名列前茅，但將近八成以上的超限高層建筑分布于7度、8度的中高烈度區，與此同時，我國也是頻頻發生地震災害的國家之一[1]。科學、合理的抗震設計能夠為居民的人身和財產安全提供保障。基于此，在設計過程中，相關人員必須充分意識到地震對于建筑物的危害及影響，并結合建筑物的實際施工環境進行相應的抗震設計。

超限高層建筑概述

建筑上的超高層建筑是指高度超過100米的建筑。而超限高層建筑是結構設計專業中的一個概念，在工程項目中主要表述為高度超限工程、規則性超限工程、屋蓋超限工程。高度超限工程是指建筑高度超過相關規范規定的各結構類型的最大適用高度;規則性超限工程是指房屋高度不超過規定，但建筑結構布置屬于各規范規定的特別不規則的高層建筑工程;屋蓋超限工程是指屋蓋的跨度、長度或結構形式超出各規范規定的大型公共建筑工程;其中最為常見的是高度超限工程和規則性超限工程。針對超限高層建筑，政府管理機構出臺了相關文件，規定必須進行抗震專項設計及專項審查。

超限高層建筑結構抗震分析理論

地震作為一種突發式自然災害，是各板塊由于地球運行而發生擠壓碰撞所產生的自然現象，通常包括火山地震、構造地震以及陷落地震三種類型，其中構造地震、陷落地震是最為常見。高層建筑結構抗震分析以結構動力學理論為基礎，分析高層建筑結構的抗震性能[2]。根據所應用的理論不同，將高層建筑結構抗震理論發展分為靜力理論、反應譜理論以及動力理論三個階段。在具體的高層建筑結構設計過程中，應該結合實際建筑物結構分析其抗震能力，進而選擇不同的地震作用分析方法。因此，在進行高層建筑的抗震設計過程中，采用的結構抗震方案必須能有效抵御地震災害，同時能夠減輕地震災害發生時引發其他因素造成的破壞。

三、高層建筑結構抗震能力設計分析研究

（一）場地的選擇

高層建筑的場地選擇能夠影響其整體抗震能力，一般可根據場地特征將工程建設用地劃分為四個地段：由穩定基巖和均勻的中硬土共同組成的有利地段、介于有利和不利之間的一般地段、由軟弱土以及液化土不均勻土層等組成的不利地段以及可能發生滑坡、地陷、地裂以及泥石流等危險地段。不利地段對建筑物明顯具有一定的危害性，因此，不利于高層建筑的施工建設[3]。不同場地地段有不同的巖土結構構成，巖土構成的差異性對同樣地形條件的地震效果的影響不同，由于巖土的剪切波速具有一定的差異性，不同的土層剪切波速以及覆蓋層厚度能夠影響場地類別的選取。場地類別和設計地震分組能夠影響結構的特征周期參數（Tg），根據相關的地震影響系數曲線得知，當結構自振周期T為0.1秒～1Tg時，地震對建筑物的影響最大，當T在1Tg～5Tg區間時，地震影響系數曲線呈下降趨勢。當結構的自振周期固定時，特征周期越大，地震影響系數越大，所以地震發生場地特征周期能夠影響地震強烈程度。有利地段比不利地段的剪切波速大，特征周期小，其地震作用相對較小，因此，超限高層建筑的建筑場地應該優先選擇有利地段以及一般地段，盡量避免選擇危險地段以及不利地段。

超限高層建筑的處理和分析

對于超限高層建筑，既要計算因地震作用下內力和變形數據（同時應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算），同時計算結構在罕遇地震作用下薄弱層（部位）的彈塑性變形[4]。罕遇地震作用下的彈塑性變形控制能夠有效預防結構薄弱層遭到破壞。對超限高層建筑在地震作用下內力和變形進行分析，應采用至少兩個不同力學模型進行計算，并對比計算結果。對于結構布置不規則的建筑物，結構優化過程應該遵循以下原則：對于扭轉不規則的結構，可以適量增加外圍柱的截面、梁截面高度以及墻肢長度等進行位移比和周期比的調整;對于平面凹型布置的結構，可以在其凹槽處增加拉梁以及結構板的方式使其整體結構變得更加規則;對于細腰型以及角部重疊型的結構，可以在通過結構板的增加實現建筑結構平面規則化的目標;對于樓板出現開洞，剛度、樓板尺寸以及承載力突變，以及上部結構側向剛度不規則建筑結構，可通過不斷調整結構布置來減少結構的不規則類型，使其更容易滿足地震作用下內力以及變形計算的相關要求 [5]。一般來說，高度超限無法避免，但是可以盡量減少不規則項次，規避規則性超限工程。

高層建筑結構的抗震能力水平

根據高層建筑抗震性能的相關參數要求可以得知，抗震能力作為建筑結構性能的重要組成部分，該性能的水平主要由結構、非結構以及建筑物附屬設備設施等共同組成[6]。

在超限高層建筑物整體結構的設計中，針對不同水平的地震作用，設計的結構抗震能力不同。超限高層建筑結構的抗震能力可以分為以下幾種：第一種，震后結構完好，無需修理，能夠直接投入建筑物的實際使用;第二種，震后結構基本完好，少數需要進行修補處理，再投入建筑物的實際使用;第三種，震后結構關鍵部位完好，其余部位出現明顯裂縫，需要進行一系列安全措施的補救，才能使用;震后結構關鍵部位發生相對嚴重的損壞，其余部位進入休眠階段，需要對其進行修理、加固，才能投入使用;震后關鍵部位明顯受損，其余部位嚴重受損，整體結構尚未倒塌。

因此，在進行超限高層建筑物整體結構的設計工作中，相關工作人員應該選用抗震效果較好的延性結構體系、隔震措施及相關抗震措施，進而降低地震對于建筑的作用，減少地震破壞及影響。此外，不斷提升超限高層建筑結構抗震設計水平，加大對新型鋼結構的研究力度，進而為建筑結構抗震效果提供保障。

結束語：

綜上所述，地震是無法提前預知和避免的，在進行高層建筑結構抗震能力的設計時，工程師們在進行超限高層建筑結構抗震設計工作中，應該結合建筑結構特點、抗震能力水平等相關研究數據，設計出科學合理、具有較強的安全性的建筑物為人們的生命安全提供保障，進而促進建筑行業能夠更好地發展。

參考文獻：

[1]魏勇.超限高層建筑結構抗震設計失效的研究[D].大連理工大學，2018.

[2]陳宇飛，郝紹金，馬貴紅，袁玉茂.超限高層建筑結構抗震設計失效分析[J].工程抗震與加固改造，2020，42（06）：175.

[3]吳桂廣，焦柯，賴鴻立，袁輝.超限高層結構構件抗震性能分析若干問題探討[J].建筑結構，2021，51（18）：85-91.

[4]楊駿超.某豎向不規則超限高層框架-剪力墻結構抗震性能分析與優化設計方案探討[D].南昌大學，2020.

[5]李標.高層建筑全框支剪力墻結構抗震性能研究[D].華南理工大學，2020.

[6]張鋒.高層斜交網格結構受力與抗震性能分析[D].西安建筑科技大學，2021.