高层建筑结构的抗震性能分析与设计

臧 斌

连云港市正恒建设有限公司，江苏连云港 222500

20世纪80年代以来，在我国经济快速发展和科学技术不断提高的推动下，城市建筑的层数和高度不断增加，原来越多的高层建筑遍布大小城市。在高层建筑的安全因素中，地震作为一种随机的、尚不能准确预见和准确计算的外部作用必须给予充分的考虑。特别是我国处于地震多发区，地震基本烈度6度及其以上的可能面积几乎占到全国面积的60%。所以，高层建筑的抗震抗震性能分析与设计便成为我们不得不面对的迫切课题。

1 我国高层建筑的抗震性能分析

1.1 高层建筑抗震性能指标与计算

我国目前的高层建筑抗震规范（GB50021-2001）提出了三个水准的要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。基于这一标准，高层建筑的抗震性能指标设计基本上是以本地区今后50年内，可能遭遇超越概率为10%的地震烈度为基本烈度，应用反应谱理论计算地震作用，以极限状态方法设计构建，并通过二阶段设计法实现。1）第一阶段按小震状态作用和相关载荷效应的共同组合验算结构构建可承载能力，得到该状态下的结构弹性形变性，满足第一水准抗震要求；2）第二阶段进行大震或罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算，达到第三水准抗震目标。由于经济发展水平和相关设计理念的限制，我国高层建筑的结构性能安全度还有待大幅提高，在充分考虑空间作用、非弹性构件、材料失效和阻尼变化等因素的前提下，以更科学、严谨的设计与施工确保高层建筑具有足够的抗震可靠性。

1.2 我国高层建筑的建筑材料和结构体系与国际先进国家存在的差距

我国高层建筑常用框架、框架-剪力墙、剪力墙和筒体等几种结构体系，尽管这些在国际先进国家也常常采用，但选择的材料却存在差异。在国外发达地区，高层建筑普遍以钢结构为主，而我国钢筋混凝土结构及混合结构却占了90%。被建筑商屡屡看中的框架-核心筒体系，用钢量比钢结构少，还减少柱子断面，所以钢筋混凝土内往往要承受80%以上的震层剪力，有可能由于其弯曲变形引发较大侧移。为了满足规范侧移限值，不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层。与钢筋混凝土结构及混合结构相比，钢结构的强度、韧性、延性和强度重量比更优越，抗震性能更好，抗震能力更强。

2 提高高层建筑的抗震性能的设计原则

2.1 选择合理的高层建筑结构体系

合理选择高层建筑结构体系，提高高层建筑承载能力、变形能力及消减地震能量能力，是实现建筑物安全性、经济性的基础。首先，要将抗震概念融汇在高层建筑设计中，全面考虑建筑物的平立面外形尺寸，抗侧力构件布置、质量分布，承载力分布等诸多因素，提倡平、立面简单对称，构建规则的建筑布置，采取相应的抗震构造措施和细部处理，确保抗侧力体系的刚度承载力上下变化连续、均匀。其次，要对有关建筑结构的弹塑性变形和建筑结构构件承载力实施严谨的验算。建立起具有良好性能的多重抗震结构框架。主体抗侧力结构刚度的选择应大于规范的阙值，对结构层间位移实行控制。形成良好的塑性内力重分布能力，有效吸收和消耗地震能量所带来的压力。第三，遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱（墙）”的原则，对结构承载力、刚度、稳定性、延性等性能相对薄弱部位采取辅助措施。

2.2 尽量选择抗震性能突出的结构材料

从某种意义上讲，高层建筑结构体系的抗震能力，实质是不同建筑构件在地震来袭时其承载能力与延展能力的集合。这就要求我们在高层建筑中，根据建筑工程的条件，优选抗震性能突出的结构材料。按照抗震性能比较，不同材料的结构类型性能等级排序为：钢结构、型钢混凝土结构、现浇钢筋混凝土结构、装配式钢筋混凝土结构、钢筋砌体结构。目前我国钢材产量巨大，供应充沛。因此，尽可能采用钢结构或型钢混凝土结构。通过减小柱断面尺寸，提高结构的抗震性能。在高层建筑中还应注意选用新型建筑结构和材料，减轻结构自重。在相同地基处理的情况下，利用钢管混凝土承重柱自重可减轻65%左右，从而降低建筑体的重心，减小地震作用时倾覆力矩，提高建筑体稳定性，优化其抗震性能。

2.3 构设多道抗震技术措施

构设有效的技术措施是提高高层建筑抗震性能的重要因素。1）在建筑结构体系设计中保持比较充裕的内部、外部冗余度，适当处理结构构件的强弱关系，建立一系列分布的屈服区，使“有效屈服”保持较长阶段，吸收和耗散地震能量；2）改变结构的动力学特性，采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震等方式，减少地震能量输入，减轻地震引发的结构反应；3）采用新型复合材料钢纤维混凝土，阻滞带基体混凝土裂缝的形成，提高建筑混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度，改善建筑结构的抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性；4）采用钢管混凝土柱。在钢管混凝土组合结构中，钢管既是纵筋，又是横向箍筋。通过钢管内混凝土受到钢管侧向约束导致的三向受压，以及钢骨本身良好的塑性，提高混凝土的延性、抗压强度和极限压应变。

由于高层建筑在我们的建筑史较短，还没有经历过太多地震的考验，抗震设防仍然处在摸索阶段。所以，我们应该清醒认识我国高层建筑结构的抗震性能，研究国际高层抗震设计发展的趋势，为提高我国高层建筑结构的抗震能力做出应有的贡献。

[1]牛发民.高层建筑的抗震结构分析与设计.建筑设计管理，2011(7).

[2]张小涛.高层建筑结构基于性能的抗震设计分析.城市建设理论研究，2011(9).

[3]梁兴文.结构抗震性能设计理论与方法.科学出版社，2011，3.