关于高层建筑抗震设计分析

关于高层建筑抗震设计分析

卢娟张道周

青岛同盛房地产开发有限公司山东省青岛市

摘要：在高层建筑设计中，抗震设计是必不可少的一个环节。随着社会及经济的迅速发展，高层建筑越来越被广泛应用。本文介绍了高层建筑的结构形式及其设计要点，分析了各种结构形式的抗震效果并在此基础之上阐述结构设计中体系的选择，阐述了高层建筑抗震设计思想和原则，探讨了抗震设计中的细节及抗震材料。

关键词：高层建筑抗震设计结构体系

随着我国经济的快速发展，高层建筑也越来越多，在这种情况下必须做好抗震设计。设计人员在高层建筑抗震设计中，都是按照抗震结构设计规范进行的，他们希望设计的结构能够达到强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，为此从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震己有的正确知识去处理好结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布，构件延性等问题，从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。

1、高层建筑抗震设计特点

1.1控制建筑物的侧移是重要的指标。在地震荷载作用下，建筑结构所产生的水平剪切力占主导地位，所以建筑物会产生明显的侧移，随建筑结构的高度不断曾加，结构的侧向位移迅速增大，但该变形要在一定限度之内，这样才能保证结构安全以及使用功能。

1.2地震荷载中的水平荷载是决定因素。水平荷载会使建筑物产生倾覆力矩，并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力，这些都与建筑物高度的两次方成正比，故随建筑结构高度的曾加，水平载荷大相径庭。对高度一定的建筑物而言，竖向荷载基本上是不变的，但是随着建筑物的质量、刚度等动力特性的不同，水平地震荷载和风荷载的变化是比较大的。

1.3要重视建筑结构的延性设计。高层建筑结构随着高度增加，刚度减小，显得更柔，在地震荷载作用下变形较大。这就要求建筑结构要有足够的变形能力，使结构进入塑性变形阶段仍然安全，需要在结构构造上采取有利的措施，使得建筑结构具有足够的延性。

2、高层建筑抗震概念设计的基本要点

2.1选择良好的抗震结构体系

高层建筑结构在抗震设计时，应选择合理的结构类型，设计的结构既要考虑其抗震安全性，也要尽可能的经济。结构应布置多道抗震防线，避免部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力。此外，结构应拥有良好的整体性和变形能力，使结构的强度、刚度和变形能力三者达到统一。

2.2建筑布置宜规则

高层建筑应重视体形和结构的总体布置。由于建筑体形不合理或结构总体布置不合理而造成的地震灾害，在国内外的大地震中都有所见。抗震设计选择的建筑平面和立面布置宜对称、规则，避免采用严重不规则的结构。结构的刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免有刚度和承载力突然变小的楼层，造成薄弱层的出现，地震时该部分容易破坏。

2.3选择合理的结构计算简图和地震作用传递途径

目前大多数高层建筑都可以利用计算机进行程序运算，为保证计算结构的可靠性，要求工程设计人员要熟练掌握结构的简化计算方法，得到结构构件在荷载作用下的计算见图，结构在地震作用下的传力途径要简单、直接，利用合理的力学模型和数学模型获得更为符合实际的抗震验算结果。

2.4选择有利于抗震的场地和地基

高层建筑设计中要选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震不利的地段。当无法避开时，应当采取适当的抗震措施，不应在危险地段上建造高层建筑。此外，设计前应估算建筑结构的自振周期，并与场地卓越周期错开，防止地震

时结构发生类共振现象的破坏。

3、结构体系的合理选择

地震对建筑物的伤害主要是水平地震力所造成的剪切破坏，所以根据结构体系对抗侧力能力的不同，钢筋砼结构主要可分为框架结构、剪力墙结构、筒体结构等，这也是我国高层建筑长采用的结构形式。由于这些体系的结构形式、抵抗水平力的能力有所区别，尤其是对地震反映大不相同，因此它们适用于不同的场合。

3.1框架结构

框架结构由框架梁、柱构件组成。其特点是柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间。框架结构的框架梁和柱既承受竖向荷载，又承受水平荷载。当建筑物高度较低、层数相对较少时，其水平荷载对结构的影响不大，这时采用框架结构还是比较合适的，既满足受力要求，也提供了很大的使用空间。但框架结构侧向刚度很小，随着建筑物高度的曾加，框架结构水平荷载分布呈现出不均匀的现象，有的楼层相对薄弱，很容易屈服。地震荷载对柱子的破坏作用要相对强烈，而对梁的破坏相对较轻，而柱子顶端的破坏比底端要严重，特别是对角柱和边柱来说破坏更加严重。短柱的剪跨比较小，发生柱中剪切破坏几率较大，对一般的柱而言，发生的是柱端弯曲破坏。故框架结构在很高的建筑中应用的不多，尤其是是采用砌体填充墙时，地震荷载作用下填充墙破坏严重，

修复费用很高。

3.2剪力墙结构

剪力墙由纵、横方向的墙体组成的抗侧力体系，属于以弯曲变形为主的结构体系。该体系的特点是，侧向刚度比较大，抗侧移能力明显优于框架结构，而且整体性好，有利于结构整体受力。因此，剪力墙结构可以用于比较高层住宅，性能稳定。但是剪力墙结构也有其自身的缺点。从动力学角度来看，刚度越大周期越短，动力反映就会越强烈，即使建筑结构抗力满足要求，建筑内设备会产生严重破坏；除此之外，剪力墙结构有大量的墙体结构采用钢筋砼而使得自重大，对建筑平面设计产生很大局限，很难提供足够大的空间。所以，剪力墙结构主要用于高层建筑并且对建筑空间要求不大的结构中。

3.4筒体结构体系

筒体结构包括框架-核心筒结构与筒中筒结构框架-核心筒结构有外框架和内部核心筒组成。内部核心筒具有很大的刚度，很好的满足侧向变形和结构强度要求；外部框架可以提供大空间来满足建筑布置上对空间的要求。而筒中筒结构是由薄壁的内筒与密柱的外框筒组成，筒中筒结构最大的优点是具有比剪力墙结构更大的侧向刚度，抗侧移性能更好，所以，适用于超高层建筑。

每种建筑结构的抗震性能和适用的范围都不相同，并且高度不同采用的抗震等级也不尽相同，具体见表1所示。

4、高层建筑抗震设计中材料的选用和结构体系问题

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。中国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框—筒、筒中筒和框架—支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。中国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架—核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。

由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。

现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。

5、地震作用下高层建筑动力时程分析算例

有一高层建筑高250m，共60层。本文根据其结构设计施工图建立了质量串有限元数学模型（如图1），其中各楼层用三维质量单元进行模拟，而柱、剪力墙等竖向承重构件用梁单元进行模拟。利用有限元动力特性分析模块计算的结构X向前两阶振型分别是0.154Hz和0.470Hz，Y向前两阶振型分别是0.153Hz和0.461Hz[5]。本文计算选用的地震波为随机生成的地震加速度模拟数据（如图2所示），经瞬态动力分析计算得到的结构顶部加速度响应如图3所示。由图可知，尽管输入的地震波幅值较小，但由于结构的动力放大效应，仍然导致结构上部出现了较大的动力响应。

6、结论

随着社会的发展、结构设计理念的创新及施工技术的进步，促使高层建筑往更高的方向发展，其在地震作用下的安全性也变的尤为重要。但由于高层建筑抗震设计属于繁重而复杂的过程，设计时一定要从概念设计及结构体系两个方向同时入手，从而获得即经济又安全可靠的设计结果。