高层建筑结构抗震设计要点

成茂奇

摘要：近些年来高层建筑结构设计越来越重视抗震性能设计。本文分析了影响高层建筑结构抗震效果的主要因素，阐述高层建筑结构抗震设计要点。

关键词：高层建筑；抗震；结构；抗震防线；设计要点

一、影响高层建筑结构抗震效果的因素

（一）高层建筑自身结构设计

高层建筑中抗水平力是结构设计主要矛盾，据不同侧力及抗震等级采用不同结构体系。高层建筑从其本质上是悬臂结构，垂直荷载主要使结构产生轴力与建筑物高度大体为线性关系；水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看，垂直荷载方向不变，随建筑物增高仅引起数量增加，而水平荷载来自任何方向，均布荷载与建筑物高度大体为二次方变化。一般情况下水平荷载远大于垂直荷载影响。应使结构要有较大强度外还要有足够刚度。

高层建筑常用结构类型有钢结构和钢筋砼结构。钢结构整体自重轻、强度高、抗震性能好、施工工期短等特点，且截面相对较小，有很好延性，适合柔性方案，其缺点是造价较高。当场地土特征周期较长时易发生共振。钢筋砼结构刚度大、空间整体性能好、造价相对较低及材料来源也较丰富，较适用承载力大，控制塑性变形的刚性方案结构。不利因素是结构自重大、抵抗塑性变形能力差，施工周期较长。因此高层建筑采取何种形式应取决于结构体系和材料特性，同时取决于场地土类型，避免场地土和建筑发生共振，而使振害更加加重。

（二）高层建筑结构施工材料和过程

高层建筑结构施工原材料对其抗震效果有直接影响，因此施工建设中应明确施工材料重要性。通常情况下建筑物建设质量越高，地震对建筑物的作用力越小，在同等地震环境下建筑施工中使用性能越好的材料，其受到地震作用力也越小，而如无法保证材料使用性能，就会受到较大地震作用力。在高层建筑施工建设中选择建筑材料时建议采用塑料板材、空心砖及加气混凝土板等，这些质轻材料对保证建筑物抗震性能都十分有利。

高层建筑施工中为较好的保证其抗震效果，还应保证施工中每个环节和每道工序质量，应高度重视施工中各项管理工作，同时建立完善施工监管规范制度，严格按照设计图纸及施工规范施工，保证高层建筑结构施工质量，确保其抗震效果。

（三）场地选择

场地选择对高层建筑至关重要。地震造成的破坏除地震直接引起结构破坏外还有场地条件原因。当地震来临时，其对高层建筑结构破坏的原因有很多方面，最主要的是地表滑坡、山体崩塌及岩石断层等导致地表发生运动，使建筑结构受到破坏，而水灾和海啸等地震带来的次生灾害也会破坏建筑物。因此选择有利抗震建筑场地，是减轻地震灾害的第一道工序，抗震设防区建筑工程应选有利地段，应避开不利的地段。

二、高层建筑结构抗震设计要点

（一）选择有利场地

高层建筑选择建筑场地时应据工程需要和地震活动情况、工程地质情况和地震地质情况有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做综合评价。对不利地段应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施。对危险地段不应建设高层，减少建筑物先天缺陷，最大限度降低地震灾害发生造成损失。

（二）合理建筑结构体系及参数设计计算分析

高层建筑抗震设计必须正确选择合理结构体系，正确认识其受力特点，选择合理结构布置，协调好建筑与结构关系，提高整体抗震性能。

建筑结构应据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。结构体系应满足：（1）应具有明确计算简图和合理地震作用传递途径；（2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗振能力或对重力荷載的承载能力；（3）应具备必要抗震承载力，良好变形能力和消耗地震能量能力；（4）对可能出现的薄弱部位采取措施提高抗震能力。

对复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时采用不少于两个不同力学模型。目前主要有两种计算理论：剪摩理论和主拉应力理论，它们有各自适用范围：砖砌体一般采用主拉应力理论，而砌块结构可采用剪摩理论。对计算机计算结果应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。结构计算控制主要计算结果有结构自振周期、位移、平动及扭转系数、层间刚度比、剪重比、有效质量系数等。另外地下室水平位移嵌固位置，转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作依据。复杂高层建筑抗震计算时宜考虑平扭耦联计算结构扭转效应，振型数不应小于15，对多塔结构振型数不应小于塔楼数9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量90%。总之高层结构计算很难一次完成，应据试算结果，按上述要求多次调整，得到较为合理计算结果，以保证建筑物安全。

（二）层间位移限制

高层建筑物在遭受地震作用下，一般楼层间会产生一定位移，从而致使各楼层间错位，如楼层间位移超过限制会发生倒塌现象。据以往地震研究发现，层间位移限度不仅与建筑施工所使用材料有关，且还与整个建筑物结构体系有关。一般钢筋混凝土相对于纯钢结构来说，对高层建筑层间位移限制较严格；风荷载作用下限度相对来说要求较严格。一般基于位移抗震设计方法以结构容许位移为出发点，在设计最后以结构构件强度进行检验，充分考虑各部件破坏。因此在实际设计过程中应综合考虑，设计出有较强刚度又有较高承载力高层建筑。

高层建筑控制建筑位移除应从平面体型和立面变化等方面考虑提高总体刚度以减少结构的位移，在结构布置时应加强整体性及刚度，加强构件连接使结构各部分以更有效方式共同作用。还要加强基础整体性，以减少基础平移或扭转对结构侧移影响。同时注意加强结构薄弱部位和应力复杂部位强度。对高宽比严格限制，确保层间位移在规定范围内。

（三）控制地震扭转效应

对建筑结构扭转影响应充分引起我们注意。因为在发生地震时建筑物各楼层间所发生形变量不同。其中距离建筑中心远构件发生形变量较大，距离建筑结构中心近的构件发生形变量较小。同时由于发生层间位移，所以各楼层中心就不在一条直线上。所以在进行建筑结构设计时应为层间形变预留较大空间，对楼层间支撑柱体应注意加强其扭转能力和恢复力，这样在地震时就可有弹性形变，不至于因扭转超过限制而发生倒塌情况。要把使用要求及建筑体型多样化和结构的要求有机结合起来，形成侧向稳定体系，最大限度减少地震扭转效应。

（四）减小地震能量输入

具体设计中积极采用基于位移结构抗震方法，对具体方案进行定量分析，使结构弹性变形满足预期地震作用力下变形需求。对建筑构件承载力进行验算同时，还要控制建筑结构在地震作用下层间位移限值；且据建筑构件变形和建筑结构位移间关系，确定构件变形值；据建筑界面应变分布及大小，来确定建筑构件构造要求。对高层建筑在有利场地上进行建筑施工，可有效减少地震发生作用时能量输入，从而减弱地震对高层建筑破坏。

高层建筑应使结构具有一定塑性变形能力来吸收地震所产生能量，减弱地震破坏影响。必要时采取一定减震和消能减震措施 。

结语

综上，结构抗震设计要达到的总体要求是“小震不坏，中震可修，大震不倒”这一目的，必须进行严格的选型、分析和计算。高层建筑是当下建筑发展的主要趋势，其抗震设计是高层建筑设计的重中之重。

参考文献

[1]肖湘，宋水兰. 高层建筑结构抗震设计方法分析[J]. 中华民居（下旬刊）. 2013（05）

[2]杨磊. 论高层建筑结构抗震的优化设计[J]. 建筑设计管理. 2010（03）