基于高層建筑結構抗震分析和設計的探討

凌紹君

（華藍設計（集團）有限公司 廣西南寧市 530011）

基于高層建筑結構抗震分析和設計的探討

凌紹君

（華藍設計（集團）有限公司 廣西南寧市 530011）

當前，我國高層建筑越發(fā)普遍，其結構設計受到了業(yè)內的廣泛重視。而近年來，地震等自然災害頻發(fā)，高層建筑樓層多、高度高，結構相對復雜，一旦發(fā)生地震，可能會造成不可挽回的損失，因此其抗震設計受到了廣泛關注。本文將基于高層建筑結構分析其抗震設計方法。

高層建筑；結構；抗震；設計；地震

前言

我國建筑行業(yè)快速的發(fā)展，高層建筑建設數(shù)量不斷增加，其結構體系和平面布局、豎向體型等設計趨于復雜，加上近年來地震災害頻發(fā)，給我國高層建筑結構抗震設計分析提出更高的要求。高層建筑抗震分析作為工程抗震設計的主要依據(jù)，占據(jù)十分重要的地位。要想保證高層建筑結構的安全，達到抗震設計的要求，實現(xiàn)安全和經濟的雙收，必須做好抗震分析并加強設計工作。

1 地震影響下高層建筑結構破壞的特點

近年來，各地地質災害頻發(fā)，通過對地震資料進行分析后得知，處于靜荷載下的建筑結構，其受力合理，而一旦發(fā)生地震，則會由于受力不合理而受到破壞，其原因是地震的影響下，建筑物動力反應具有特殊性，具體表現(xiàn)如下：

1.1 地基

部分場地具有較厚的軟弱沖擊土層，此時高層建筑地基破壞了明顯增高。由于地基土液化造成地基出現(xiàn)不均勻沉降，最終導致建筑上部結構損害甚至整體傾斜。高層建筑位置若處于不利或危險地段，會由于地基破壞而導致房屋整體結構破壞。一旦建筑結構基本周期和場地的自振周期趨于相同，則會由于共振效應導致破壞程度加重。

1.2 結構體系

高層建筑一般采用框架或框架-抗震墻結構，鋼筋混凝土框架的結構平面內柱上端部位容易產生剪切破壞，在窗洞位置的外墻框架柱由于受到窗下墻體的約束容易產生短柱型剪切破壞。若高層建筑采用抗震墻結構，其破壞的程度較輕；若采用底框結構，其剛度柔弱的底層則會受到嚴重的破壞；若采用框架結構，建筑底層若為敞開式的框架間，且未砌磚墻，其底層也會受到嚴重破壞；若采用鋼筋混凝土柱、板的結構體系，由于樓板的沖切或由于樓層發(fā)生較大側移，導致柱腳破壞，各層的樓板會發(fā)生墜落甚至重疊在地面上。

1.3 剛度分布

若建筑物結構以矩形平面布置，電梯井等抗側力構件在布置過程中一旦存在偏心，則會由于扭轉振動導致地震災害加重；若采用L形、三角形等不對稱的平面建筑結構，也會由于地震影響產生扭轉振動最終導致災害加重。

1.4 構件形式

在框架建筑結構中，相比于梁、板，柱的破壞程度更大；鋼筋混凝土剪力墻結構中，窗下墻通常會產生交叉/斜向裂縫；若混凝土柱中配置螺旋箍筋，一旦層間的位移角數(shù)值較大，核心的混凝土依然完好，鋼筋柱抵抗能力較強，但若在同一樓層存在長短柱并用的情況，則會導致短柱受到相對嚴重的破壞。

1.5 房屋體形

若建筑的平面結構不規(guī)則，如T形、L形、Y形等，其在地震影響下的破壞率較高。若高層建筑底盤加大，裙房頂面和主樓相接位置的面積突然減小的樓層，由于相鄰的樓層間產生較大的質量突變，往往會導致較為嚴重的破壞。若高層建筑的防震縫寬度設置較小，則會導致建筑物之間產生碰撞破壞；樓層的平面形心和重心的偏移距離越大，震害導致的破壞越嚴重。

2 抗震的等級對于高層建筑結構的影響

所謂震級，主要是按照地震的強度以劃分的。我國將地震劃分為6個等級：3級及以下為小地震，3～4.5級稱為有感地震，4.5～6級稱為中強地震，6～7級稱為強烈地震，7～8級稱為大地震，8級及以上稱為巨大地震。對于建筑結構而言，可將建筑抗震等級劃分為四個類別，分別是甲、乙、丙、丁。一般來說，我國的房屋建筑抗震等級為8度，能夠有效抵抗6級地震的影響。國家建筑設計部門根據(jù)相關規(guī)定，配合建筑物的分類以及設防標準，針對實際房屋高度與結構的特點，對高層建筑采用不同的抗震等級。例如，對于鋼筋混凝土結構，建筑抗震等級能夠分為一般、較嚴重、嚴重以及很嚴重等4個等級。在高層建筑抗震設計的過程中，需要按照建筑的高度、結構以及設防烈度等參數(shù)確定混凝土所采取的抗震等級，同時要確保符合計算結果以及技術要求。

3 高層建筑的抗震設計方法分析

在進行高層建筑抗震設計的過程中，需要從兩個方面進行考慮，分別是減小地震的作用力輸入以及增強地震的抵抗力，做好建筑抗震設計與施工。高層建筑抗震設計的方法主要有五個方面，具體如下：

3.1 盡量減少地震發(fā)生過程中的能量輸入

在實際設計的過程中，需要采用以位移為基礎的結構抗震方法，定量分析實際設計方案，確保結構的變形彈性能夠滿足預期的地震作用力變形要求。在進行建筑構件承載力驗收的過程中，需要對建筑結構地震作用下的層間位移限值，同時按照建筑物構件變形以及結構位移的實際關系，對構件變形值進行確定。按照建筑物界面應變的分布規(guī)律和大小，確定建筑物構件的構造需求。針對高層建筑而言，需選擇堅固場地進行施工，從而能夠有效的減小地震發(fā)生時的能力輸入，適當減小地震的破壞。

3.2 采取高延性的設計，運用消震、隔震措施

在大部分高層建筑的抗震設計中，一般采用延性結構，從而對建筑物的結構剛度進行一定的控制，保證在地震時建筑物構件能夠具有較大延性呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，以消耗地震產生的能力，降低地震造成的高層建筑結構破壞。若高層建筑承載能力小，但延性較高，其在地震中則不易發(fā)生倒塌。原因在于延性構件能夠吸收能量，有效的避免建筑結構變形，可見延性結構能夠有效的減小地震反應。21世紀以來，人們對建筑物抗震能力越發(fā)重視，并對其進行一定的研究并取得了相應的效果，例如：近年來阻尼器在我國高層建筑抗震設計中得到了廣泛的應用。借助阻尼器的使用以減少震動，能夠巧妙的減弱地震能量對高層建筑物的破壞。

3.3 做好抗震結構設計

對于高層建筑的設計人員而言，需要尤其重視其抗震結構的設計。在我國，超過150m的建筑物，一般采用3種結構體系，分別是框-筒、筒中筒以及框架-支撐體系，且這三種體系在其他國家中也應用廣泛。在高層建筑結構抗震設計的過程中，可將傳統(tǒng)硬性為主的抗震模式逐漸還變?yōu)橐匀嵝詾橹鞯目拐鸾Y構，從而實現(xiàn)以柔克剛、剛柔并濟的高層建筑抗震結構設計，以確保地震作用時釋放出的沖擊力得以減弱。

3.4 做好建筑選材工作

我國的鋼材生產行業(yè)規(guī)模較大，鋼結構加工制造的能力也居世界前列，所以在建筑結構抗震設計的過程中可以盡量采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土柱或鋼結構等，從而縮小柱斷面的尺寸，保證建筑結構的抗震性能得以改善。在高層建筑抗震結構設計的過程中，必須做好建筑材料的選擇工作。首先，要分析建筑材料的各項參數(shù)，尤其是其抗震性能，不可只考慮材料的承載力忽略材料其他的參數(shù)。對于抗震設計，需要保證建筑材料符合結構的延性需求。

3.5 增加抗震防線

在進行高層建筑結構設計的過程中，可設置多條抗震防線，從而增強建筑工程對于地震的抵抗力。通過設置多層抗震防線，即便第一道防線受到了地震的破壞，高層建筑結構中仍然具有第二道、第三道甚至更多的防線以抵抗地震的作用力，從而防止高層建筑物發(fā)生倒塌。在進行高層建筑抗震設計的過程中，可選用具備多肢節(jié)或壁式框架的剪力墻結構以達到防震的目的?？蚣芗袅Y構屬于十分典型的多道防線抗震結構，剪力墻是其第一道防線，屬于結構的主要抗側力構件，因此需要設置足夠多的剪力墻結構以確保建筑的整體承受能力。

3.6 采取加固設計

要想保證高層建筑結構抗震的能力得以有效的提升，需要按照建筑結構的具體情況進行一定的加固處理，在進行加固處理的過程中需要注意以下幾點：

①針對結構設計存在缺陷的結構，要根據(jù)具體情況增加加固構件，還可采用具備高抗震性能的構件以代替原有的構件。②要想提高建筑結構的承載力、增強結構的整體剛度，則可增設構件或擴大原截面，采取設置套箍的方式以做好加固工作。③許多建筑結構的整體性并不能達到抗震設計的標準，可通過對結構進行針對性的調整以分散地震的作用力，適當?shù)臏p少結構破壞。對于高層建筑中那些和建筑結構不相關的構件，可能會由于地震倒塌導致危害，因此需要對其進行適當加固。

3.7 對結構變形進行控制

對于高層建筑的整體抗震能力而言，其結構變形對抗震能力有著直接影響。若發(fā)生地震時，建筑物在水平震動作用力下發(fā)生側移，導致建筑物的結構產生變形，結構被破壞。所以，需要做好建筑結構類型的考察工作，繼而針對性的采取加固措施以盡可能減少建筑結構在地震作用下產生的變形。經過實踐證明，對高層建筑損壞程度評估時，間層側移的角度是十分重要的指標，因此國家對其具有明確規(guī)定。要采取一定的措施以控制結構側移，一般可通過減小框架的柱距和梁距、采用彎-剪雙重抗側力體系、設置剛臂、豎向支撐的交錯布置、變平面構件為立體構件、圍護結構參與抗震、利用傾斜立面，扭轉體型、采用雙曲線圓筒以及加大房屋的有效寬度等方法以控制側移。

4 總結

近年來，建筑行業(yè)逐漸邁入新時期，為了保證建筑結構的質量，必須做好其結構設計，確保新型建筑結構能夠同時符合建筑工程使用及美感要求。在實際建筑結構設計的過程中，針對建筑物的具體情況做好抗震設計，分析地基承載力等參數(shù)，做好建筑結構材料的選材工作，并做好加固設計，以保證建筑結構的抗震設計符合要求，確保建筑結構不會輕易受到地震災害的破壞。

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TU973

A

1673-0038（2015）52-0068-02

收稿日期：2015-12-14

凌紹君（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。