高层建筑结构的抗震设计分析

刘晓 冯耀

摘要：建筑结构抗震设计理论随着社会经济的发展而不断发展，人们在地震产生过程、掌握和应用防震减灾技术等方面取得很大的进步，但建筑抗震设计方法的研究是一项有重要意义的课题，不仅能够发展现有的建筑抗震设计，还能够为社会和人民的生命和财产安全提供保障。

关键词：高层建筑；抗震设计

Abstract: the structural seismic design theory with the development of social economy and development, people in the production process, the mastery and application of earthquake resistance and disaster mitigation technology has made a lot of progress, but the building aseismic design method of is a significant issue, not only to be able to develop the existing buildings aseismic design, still can for society and the safety of people's lives and property provided protection.

Keywords: high building; Seismic design

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

一、引言

随着经济水平的增长和高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已变得越来越重要。由于地震作用是一种随机性很强的循环、往复荷载,建筑物的地震破坏机理又十分复杂,存在着许多模糊和不确定因素,在结构内力分析方面,由于未能充分考虑结构的空间作用、材料时效、阻尼变化等多种因素,计算方法还很不完善,单靠微观的数学力学计算很难使建筑结构在遭遇地震时真正确保具有良好的抗震能力。特别是我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，高层建筑结构的抗震仍然是建筑物安全考虑的重要问题。

二、抗震概念设计的含义

建筑结构的抗震概念设计是指在进行结构抗震设计时，根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，从概念上，特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策，即正确地解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。抗震概念设计的基本要点有：

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．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。

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。

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。

三、高层建筑抗震计算方法

当地震发生时，地面上原来静止的结构物因地面运动而发生强迫振动。因此，结构地震反应是一种动力反应，其大小不但与地面运动有关，还与结构的动力特性有关，一般需要采用结构动力学方法分析才能得到。目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。

1．底部剪力法

底部剪力法是一种拟静力法，把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此计算精度稍差。

2．振型分解反应谱法

振型分解反應谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定。

3．时程分析法

时程分析法是随着电子计算机技术和试验技术的发展而发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进行数值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。时程分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高，可分为振型分解法和逐步积分法两种，而逐步积分法是又包含线形加速度法、纽马克β法等多种求解方式。

下面以单质点弹性体系为例，说明按线性加速度求解运动方程的基本原理。这种方法的基本假定是，质点的加速度反映在任一微小时段，即积分时段t内的变化呈线性关系。设已求出ti时刻质点的地震位移δ(ti)、速度(ti)和加速度(ti)，现求经过时段t后在(ti)时刻的位移δ(ti+t)、速度和加速度(ti+t)。线性加速度的变化率为：

现将质点移加速度分别在ti时刻按泰勒级数展开：

将式（1）代入式（2）和式（3），并注意到式（2）和式（3）中δ(ti)的四阶以上导数均为零，于是：

ti+t时刻质点加速度，可前面得出：

式（4）-式（6）为ti+t时刻关于，的代数方程组。

关于线性加速度的多个质点体系时程分析法，其原理与单质点体系基本相同，在此不一一赘述。

四、地震作用下高层建筑动力时程分析算例

有一高层建筑高86m，共24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。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。

图1有限元模型

图2基底地震波

图3顶部加速度反应

五、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定量分析两个方向同时入手，从而获得即经济又安全可靠的设计结果。

参考文献：

[1]李爱群，高振世.工程结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]李国强，李杰，苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]叶先磊，史亚杰.ANSYS――工程分析软件应用实例[M].北京：清华大学出版社，2003.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。