浅谈高层建筑结构设计中的抗震设计

李玉金

摘要：随着建筑市场的蓬勃发展，高层建筑项目逐渐增加，高层建筑在地震作用产生结构破坏形式引起广大结构设计工程师的关注，这也是高层建筑抗震结构设计主要的参考依据，本文结合笔者多年高层建筑结构设计经验高层建筑抗震结构设计要点进行探讨，以供同仁参考之用。

关键词：高层建筑；地震作用；设计要点

前言

随着我国城镇一体化规模快速扩大，城镇规划与建设用地的矛盾日益尖锐，这为推动高层建筑发展创造客观条件，而建筑理论与材料的发展以及施工水平的提升、电算化的普及为推动高层建筑项目的增加提供技术支持，而高层建筑对结构抗震设计提出更为严格的设计标准。近几年我国发生地震灾害如汶川、玉树、雅安等地震，对广大人民群众造成极大的伤害，也对我们广大结构工程师敲响了警钟。笔者认为地震产生的影响作用较为复杂，现阶段还没有一套完整的理论进行抗震计算，而抗震规范建议的计算公式也属于半理论半经验型，然而在高层建筑的楼层设计过程中，结构设计师通过采用多种措施来提高高层建筑的抗震能力。

1.高层建筑在地震作用下破坏特点

1.1 地基破坏特点

高层建筑在软弱土层较厚的场地，发生的破坏率较高，土体液化造成基础发生沉降，导致上部建筑结构发生倾斜与破坏，在危险与不利地段修建高层建筑，一旦发生地震往往造成基础的不均匀沉降，造成建筑物开裂，当高层建筑自身结构周期与场地周期接近时在地震作用下发生共振效应，造成结构不同程度的破坏。

1.2 结构体系破坏特点

a.框架填墙的高层结构体系，在地震作用下建筑平面内框架柱上端部分容易出现剪切型破坏，而在窗洞部分由于受到窗下墙作用造成短柱性破坏。

b.框架剪力墙的高层结构体系，在地震作用下主体结构的破坏情况相对较轻。

c.底框结构的高层结构体系，由于底层的刚度较低，因此结构破坏情况较为严重，而采用框架—填墙的高层结构体系，由于底层框架属于敞开式，并未砌墙其刚度较低，因此底层受到破坏同为重要。

1.3 刚度破坏特点

主体结构采用矩形平面形式，布置电梯井等构件一旦出现偏心，在出现扭转振动更加加剧了震害，而对于L 形、三角形等不对称平面形式，在地震作用下由于扭转振动的影响而加重了震害破坏。

1.4 构件形式破坏特点

采用框架-剪力墙结构的高层建筑，柱的破坏情况远比板、梁严重，剪力墙的窗台下端出现交叉性裂缝，而框架柱由于布置螺旋箍筋，因此层间位移角较大，框架柱在地震作用下产生较好的抵抗特点。

2.高层建筑结构抗震设计

2.1 加强主体结构的基础设计

众所周知，任何建筑工程的基础结构设计科学与否直接决定了建筑质量优劣，高层建筑的基础结构设计同样如此，在基础设计过程中，尽量将相同的结构单元布置在性质接近的地基上，并且選择采一致的结构类型，一旦地基出现液化土、橡皮土、新填土等承载力不均匀的土层时，应当选择合理的措施来提升基础结构的刚度与整体性，从而确保地基的承载力。底框结构在实际设计与施工过程中具有理想的经济性与实用性取得较为广泛使用，然而该结构体系刚度分布不均匀出现头重脚轻的情况，导致其整体结构变形不均匀，因此在地震过程中由于其抗扭性能并不理想，而造成房屋的局部开裂与倒塌，对此在设防烈度较高的区域尽量避免采用该结构形式，或在设计过程中设计人员应采取对应措施保证其上下刚度均匀协调，提高其抗震水平。

2.2增加抗震防线数量

高层建筑抗震结构体系包含多个具有理想延性分体系，并将具有延性的结构构件进行协同连接，如框-剪力结构就是将剪力墙与框架分体组合形成多肢剪力墙结构体系，一般高烈度地震发生之后通常会出现一系列余震，因此如果只设置一道抗震防线，那么当该抗震防线破坏后一旦发生余震，对高层主体结构造成严重损伤，甚至出现倒塌情况。设计人员在构建抗震结构体系时应考虑结构冗余度，同时布置一系列屈服区域，因为主要结构耗能构件自身具有理想的刚度与延性，确保主体结构构件能够最大程度上吸收地震能量，增强抗震能力，有效避免在地震过程中出现大面积倒塌。设计人员应当认真处理结构构件抗震设防体系，在同一平面内将主要构件达到屈服后，剩余抗侧力部件处于弹性过程阶段，提高主体结构的有效屈服持续时间，确保主体结构的抗侧移与延性能力。设计人员在抗震设计可能会发现中当某一结构构件的抗侧移设计值过大，导致结构其他构件出现薄弱，所以在设计过程中中设计人员应合理加强构件的抗侧移能力，对于在施工过程出现的以大带小，提高个别抗侧力部件的配筋率等做法都要进行反复权衡。

2.3 丰富高层建筑抗震计算设计方法

在实际结构设计过程中，设计人员应当采取基于位移抗震结构计算方法，对结构设计方案展开定量性分析探讨，保证主体结构自身变形能力能符合在一般地震作用下产生变形要求。设计人员在计算主体结构承载力的同时，并实时控制在高震级作用下结构产生的层间位移角与延性位移，结合建筑构件的位移与结构变形关系，来获取主要构件的变形数值，同时按照建筑截面的应变情况与应变大小，来判断构件的实际构造要求，除此以外高层建筑场地条件良好的情况下施工，应当减少地震能量的输入，从减少高层建筑的主体结构破坏。

2.4抗震加固设计

高层建筑大多数情况都有设防抗震要求，对此高层建筑不仅要符合刚度、延性要求外，要有一定强度要求，而钢筋混凝土自身具有较大自重，尤其对于底层柱其轴力与建筑物高度成正比，而高层建筑的主要构件对其抗震设计具有延性要求，在层高固定的条件下，一般通过调整轴压比来提提高构件延性，然而轴压比不能过大，否则增加柱截面尺寸，并形成结构短柱，作为结构工程师都会了解短柱在高层建筑中其延性极差，一旦遇到高于设防烈度的地震，容易出现剪切破坏可能引起整座建筑物倒塌，因此需要进行加固设计。

（1）选用螺旋复合箍筋

高层建筑框架柱的抗剪能力应当符合强剪弱弯与剪压比标准，柱子端部的抗弯能力应该符合强柱弱梁限值标准的，而短柱在满足强柱弱梁、强剪弱弯的条件下，不会出现剪切性破坏，螺旋复合箍筋最大的特点就是能够提高柱的抗冲剪能力，优化混凝土约束，从而能够提高短柱的抗震能力。

（2）选用分体柱

短柱自身抗弯远比抗剪能力强，因此在地震过程中通常是没有充分发挥其抗弯能力时就已经发生剪坏破坏，对此，设计人员应当降低短柱的抗弯能力，使其与抗剪强度接近或者略低，这样在地震过程中，短柱先达到抗弯的屈服强度，表现其延性破坏形态。在设计过程中常用的降低抗弯强度方法，就是将柱子沿竖向设缝将其分为若干个分体柱，分体柱的配筋可在柱肢间布置一定数量的连接键，从而提高构件刚度与抗震耗能能力，常见的连接键主要包括分隔板、通缝、摩擦阻尼器等，笔者对于分体柱使用性能状态的理论与试验发现，分体柱的选用尽管无法提高柱子的抗剪能力，但是在降低抗弯能力的同时，有效提高柱子的延性与整体变形能力，短柱的破坏形态从剪切型向弯曲型发生转变，达到了设计人员由短柱向长柱转变，极大改善短柱的抗震能力，目前分体柱已经在高层建筑工程中得到广泛应用。

结束语

综上所述，我国现阶段的高层建筑抗震设计处在摸索与研究阶段，虽然通过大量的实践得到一定经验，然而在高层建筑整体抗震理论分析方面还需逐步完善，只有通过结构设计人员共同努力，积极推动地基与结构的材料特性以及动力学理论的发展，才能全面解决高层建筑结构的抗震设计问题，才能更好为社会服务。

参考文献：

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