高層房屋抗震設計的研究

莫子洋

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著社會經濟的發展和需求的提高，現代建筑逐漸向高層建筑和功能多樣化發展。我國高層建筑眾多，其結構設計備受關注。建筑數量的增加和建筑結構的復雜性使得現代建筑的抗震設計越來越重要。我國地震帶多，地震多，大地震多。因此，高層建筑的抗震設計是一個非常重要的課題，為了在高層建筑的設計階段提出最合理、最有效的抗震設計，應結合實際進行深入研究分析。

1 地震對高層建筑結構破壞的描述

近年來，各地地質事故層出不窮，通過地震資料分析可知，雖然建筑結構在靜載荷作用下具有合理的應力，但在地震后會因過大的應力而損壞。建筑物在地震作用下的動力作用是獨一無二的，實際表現如下。

1.1 地基

部分地區有較厚的軟沖擊土層，此時對多層建筑地基的破壞明顯增加。由于底土變薄，地基發生不均勻沉降，最終導致上部建筑結構甚至一般路堤的破壞。如果多層建筑位于不方便或危險的地方，破壞地基會破壞房屋的整體結構。只要建筑結構的基本振動相位與地形的自然振動相位相同，共振破壞程度就會增加[1]。

1.2 結構體系

在高層建筑中，主要采用框架或框架剪力墻結構，鋼筋混凝土框架結構的內柱容易發生剪切破壞。如果高層建筑采用剪力墻結構，破壞程度會比較小；如果采用下框架結構，會嚴重損壞下加強筋；采用框架結構時，下層樓板為開放式框架空間，下層磚墻也受到嚴重破壞，采用鋼筋混凝土柱板結構體系時，柱基被穿孔破壞，由于樓板或樓板橫向位移大，導致各樓層樓板倒塌。高層建筑結構體系如圖1 所示。

圖1 高層建筑結構體系

1.3 硬度分布

如果建筑物結構位于矩形平面內，并且在電梯井等抗剪構件中偏心，則地震災害會因扭轉振動而放大，地震引起的扭轉振動最終會導致應力發生事故。

1.4 構件形式

在框架施工時，對支撐的損壞程度高于對梁和面板的損壞程度；在鋼筋混凝土擋土墻結構中，窗下墻體通常會出現水平或者斜向裂縫；螺旋支架配置在混凝土柱中時，層間位移角較大時，基礎混凝土仍完好，鋼柱抗力強，但當一層有長柱和短柱時，短柱子損壞比較嚴重。

1.5 建筑的體型

如果建筑物的平面結構不均勻，例如T 字形、L 字形、Y 字形等，那該結構在地震來臨時，它的破壞程度將會比一般規則的結構要大得多。當多層建筑的底盤升高時，裙樓和主樓頂部的占地面積突然減小，往往會因相鄰樓層之間的突然質量變化而造成嚴重破壞。如果多層建筑的抗震連接寬度較小，可能會造成建筑物之間的碰撞損壞；區域質心與地面質心的位移距離越大，地震越強造成的損害也越大[2]。

2 地震等級對高層結構的影響

所謂震級，主要是按照地震的烈度來分類的。我國將地震分為6 個等級。3 級及以下地震為小地震、3～4.5 級為有感地震、4.5～6 級為中強地震、6～7 級為強烈地震、7～8 級稱為大地震，8 級以上的強地震稱為特大地震。對于結構，建筑物的抗震等級可分為A、B、C、D四類。

一般情況下，我國建筑物的抗震能力為8 度，可以有效抵御6 級地震的沖擊。根據有關規定，國家建筑設計部門根據建筑物的分級和緊固標準，以及建筑物的實際高度和結構特點，對多層建筑采用不同的抗震等級。例如，對于鋼筋混凝土結構，建筑物的抗震等級可分為一般、重型、重型和極重型四個等級。在多層建筑的抗震設計中，需要根據高度、結構、扣件強度等參數，以及計算結果和技術要求，確定混凝土的抗震等級[3]。

3 建筑物抗震設計的理論分析

隨著我國建筑業的快速發展，高層建筑數量不斷增加，結構、面積方案和豎向造型的設計難度越來越大，加之地震頻發。近年來，我國提出對高層建筑結構的抗震設計進行分析，高層建筑的抗震分析作為抗震工程設計的主要依據起著非常重要的作用。要加強設計工作，通過抗震分析，確保高層建筑的安全、符合抗震設計要求、安全、經濟。

3.1 建筑抗震結構

抗震設計規范《建筑結構抗震設計規范》是對各國建筑抗震實踐的可靠總結，是建筑抗震設計的規范性文件，它不僅能反映經濟指標。每個國家的水平和每個國家的建筑和抗震實踐經驗水平。建筑的抗震設計不僅要求設計者有高水平的理論，還需要豐富的實踐經驗和建筑安全的重中之重[2]。基于這樣的理解，現代建筑抗震規范中的一些規定被認為是強制性的，設計者可以評估哪些應該按照規則的語言來執行，哪些可以根據客觀情況進行調整。

3.2 抗震設計理論

準靜態理論是上世紀初發展起來的一種理論，地震的大小可以等于結構自重與抗震系數的乘積；反應譜理論是在1940 年代和1960 年代發展起來的。它基于對動態效應特性的透徹理解和研究分析地震特性后獲得的關鍵結果；1970 年代和1980 年代動力學理論的發展和應用及其對計算機技術和控制技術的有效運用，被用來進一步分析建筑物的線性或非線性運行過程。動力理論也就是地震時程分析理論，它認為地震是一個過程，在這個過程中，選擇具有代表性的地震的加速度時程作為地震動力輸入，從而在更大程度上簡化了建筑物。計算系統的自由度，計算地震每個時刻建筑物的影響，完成抗震工程[3]。抗震設計優化方案如圖2所示。

圖2 抗震設計優化方案

4 高層建筑抗震設計方法分析

在高層建筑的抗震設計中，必須從降低地震震級和提高抗震能力兩個方面考慮，才能在抗震設計和建筑施工中取得良好的效果。高層建筑抗震規劃主要有以下方法。

4.1 減少地震期間的能源消耗

在實際設計過程中，需要應用基于位移的結構抗震方法對實際設計方案進行定量分析，以保證結構的變形柔度滿足預期的地震力變形要求。在假設結構構件的承載力時，需要確定地震影響下建筑結構的層間位移限值，以及建筑變形之間的確切關系，通過構件和結構位移，確定構件的變化值，構件的靜力要求是根據建筑界面的分布規律和變形的大小來確定的。對于高層建筑，應選擇堅固的場地進行施工，這樣可以有效減少發生地震時的容量，從而減少地震破壞[4]。

4.2 采用高度靈活的設計，采用減震隔離措施

高層建筑的抗震設計通常采用柔性結構，在一定程度上控制了建筑物的結構剛度，體現了結構構件的高柔性和抗震塑性。消耗引起地震的能力，以減少地震對公寓樓造成的結構破壞。如果高層建筑的承載能力低但柔韌性高，那么它在地震中倒塌的可能性就較小。這是因為柔性元件吸收能量，有效防止建筑結構變形，可見柔性結構能有效減少地震的影響[4]。21 世紀以來，人們對建筑的抗震能力給予了更多的關注、研究和成果，如近幾年減震器在高抗震結構中得到了廣泛的應用。在我國高層建筑使用阻尼器來減少振動，可以顯著減少地震對住宅建筑的破壞。抗震阻尼器如圖3 所示。

圖3 抗震阻尼器

4.3 做好抗震結構設計工作

對于高層建筑的設計者，應特別注意其抗震結構的設計。在我國，150m 以上的建筑物通常采用框架管、管中管和框架支撐體系三種結構體系，這三種體系在其他國家也得到廣泛應用。在高層建筑結構抗震設計過程中，可以將傳統的固態抗震體系逐步轉變為柔性抗震結構，用于設計具有剛柔相濟的高層建筑抗震結構。因此，剛度和柔韌性的結合代表了地震的影響，沖擊力降低了。抗震結構設計如圖4 所示。

圖4 抗震結構設計

4.4 做好建材選擇

我國鋼鐵工業規模較大，鋼結構加工制造能力在世界上也名列前茅。在規劃高層建筑的抗震結構時，應慎重考慮建筑材料的選擇。首先，為了分析建筑材料的參數，特別是其抗震參數，不必只考慮材料的承載能力而忽略材料的其他參數，抗震設計必須保證建筑材料滿足承載能力要求。

4.5 提高抗震閾值

在高層建筑的結構設計中，可以設置多條抗震防護線，以增加建筑工程的抗震安全性。雖然安裝多層抗震防護線會因地震而破壞第一道防護線，但高層建筑結構仍需有第二道、第三道或更多道防護線才能承受地震的力量，從而防止高層建筑的倒塌。在高層建筑的抗震設計中，可以選擇多片式或帶墻架的擋土墻施工，以達到抗震安全目標。框架式擋土墻結構代表了典型的高層抗震結構，斜墻是其第一道防線，是結構抗側力的關鍵構件，從而提高了建筑物的整體承重能力[5]。

4.6 加固處理的設計

為了有效提高高層建筑結構的抗震能力，需要根據建筑結構的具體情況進行一定的加固處理。請注意：①結構有缺陷的結構，可根據具體情況增加所需的加強構件，也可用高抗震構件代替原有構件。②為提高建筑結構的承載能力，增加結構的整體剛度，可增加構件或擴大原有部分，采用框架安裝方式進行加固工作。③很多建筑結構的完整性不符合抗震設計標準，通過對結構進行有針對性的調整，分散地震力，可以將結構破壞降到最低。對于與建筑結構無關的多層建筑構件，它們可以抗震，因此需要進行相應的加固。

4.7 結構變形的控制

對于高層建筑的總抗震能力，結構變形對抗震能力有直接影響。當地震發生時，建筑物在橫向振動的影響下側向移動，導致建筑物的結構變形和破壞。因此，在研究建筑結構的性質時要做好工作，然后有針對性地采取加固措施，盡量減少建筑結構在地震影響下的變形。經驗表明，中間層的橫向偏移角是評估多層建筑損壞程度的一個非常重要的指標，這也是為什么國家對這里有明確規定的原因。必須采取一定的措施來控制結構的橫向移動，通常是通過減小柱間距和框架桁架間距，引入抗彎和剪力雙側向力的系統，安裝剛性把手、臺階和更換垂直支撐[5]。將部件轉換為三維部件，圍欄結構涉及抗震，傾斜立面的使用，機身的扭轉，雙曲線圓柱體的使用，增加房屋的有效寬度以控制橫向運動。

5 結語

近年來，建筑業逐漸進入新時代，為保證建筑結構的質量，需要做好其結構設計，使新的建筑結構能夠滿足施工要求。同時使用技術和美學設計建筑結構時，應根據建筑物的具體情況進行抗震設計，分析地基承載力等參數，進行建筑材料的選擇，并進行抗震設計，使建筑結構符合要求。