基于高层建筑结构浅析抗震设计的问题措施

栾洁 姜艳君

摘要：随着经济的发展，城镇化趋势的加重，建筑用地日益紧缩，这就加快了高层建筑结构的发展。高层建筑节约了占地，但高层建筑结构要求较高，尤其抗震设计和分析。因此，认识高层建筑结构抗震设计的问题尤为重要，从而找到抗震的有效措施。

关键词：高层建筑；结构设计；抗震措施

一、高层建筑抗震设计中面临的问题

1、建筑抗震设防程度低。目前我国的建筑结构设计的安全度已经不适应现行的需要，建筑物结构设计的安全度应该得到大幅度的提高。我国现在所设定的抗震设防标准很低，较低的抗震设防烈度降低了高层建筑的抗震要求。

2、不合理地基的选取。高层建筑应当建在坚硬或者中硬的土场地，不应建在河岸上，不应在两类土壤上建筑，并且应该避开不利的地形、不应用震陷土作为天然的地基，避免在山崖、断层、地陷、滑坡等抗震危险的地段建造房屋。地基选取的不恰当可能会导致抗震能力变差。

3、少数建筑高度太高。按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。在这个高度，抗震能力还是比较稳妥的，但是目前不少高层建筑超过了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，建筑物的抗震能力会下降，很多影响因素也发生变化，结构设计和工程预算的相应参数需要重新选取。

4、建筑材料的不科学选用。因我国建筑物主要是以钢筋混凝土核心筒为主的结构形式，并且变形的控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但是因为建筑物的弯曲变形的侧位移比较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。

二、高层建筑结构抗震设计

1、抗震措施。在对结构的抗震设计中，除要考虑概念设计、结构抗震验算外，历次地震后人们在限制建筑高度，提高结构延性（限制结构类型和结构材料使用）等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前，在抗震设计中，从概念设计，抗震验算及构造措施等三方面入手，在将抗震与消震（结构延性）结合的基础上，建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法，直至进一步通过一些结构措施（隔震措施，消能减震措施）来减震，即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且强柱弱梁，强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。

2、高层建筑的抗震设计理念。我国《建筑抗震设计规范》对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求，“三水准”即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构处于弹性变形阶段，建筑物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此，要求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算，要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能出现一定程度的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此，要求结构具有相当的延性能力（变形能力）不发生不可修复的脆性破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，结构虽然破坏较重，但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏，从而保障了人员的安全。因此，要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。

对建筑抗震的三个水准设防要求，是通过“两阶段”设计来实现的，其方法步骤如下：第一阶段：第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件截面设计，从而满足第一水准的强度要求；第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角，使其不超过抗震规范所规定的限值；同时采用相应的抗震构造措施，保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能，从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段：采用与第三水准相对应的地震動参数，计算出结构（特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节）的弹塑性层间位移角，使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。

三、隔震结构设计

一般的建筑物是由建筑物整体吸收地震动的振动能量。大地震时，会在大梁与柱子上发生损伤，并且有损坏建筑物功能之虞。另一方面，隔震结构的建筑物则是在建筑物下方设置一种地震时比其他层产生更大水平变形的“隔震层”，使得上层建筑物不容易与地基共振，同时集中吸收振动能量。

1、构成隔震层的隔震构件

（1）铅制缓冲构件：利用高纯度的铅材料的塑性变形而制成的铅缓冲器。除此之外，尚有利用摩擦原理的缓冲器，利用油通过小孔时的阻抗而成的缓冲器，以及利用黏滞体的剪断阻抗原理而制成的缓冲器等。

（2）叠层橡胶：为了支承上方的建筑物，以及为了避免与地基共振，需要垂直方向坚硬，但水平方向柔软的支座。叠层橡胶是将厚度数毫米的橡胶与钢板交互重叠接合，施加热与压力，发挥橡胶特有的弹性，就能够满足这个条件。

（3）钢制缓冲构件：在隔震层吸收振动能量，担任衰减振动的作用而制成的缓冲构件。由于隔震层在水平方向产生很大的变形，因此根据变形状况，采用将振动能量消耗的机制方为合理。

钢条缓冲构件是利用钢料的塑性变形。

2、地震时建筑物摇动的比较

（1）隔震结构的建筑物：由于隔震层在水平方向极为柔软，于是地震时的大部分变形都集中在隔震层上。可缓和上部结构的摇动，也不容易引起家具的倾倒及外墙的剥离，而且几乎不会发生柱子与梁的损伤。适用于步行困难者利用的设施。

（2）一般的建筑物：一般的建筑物在地震时会将振动传递到整个建筑物，于是家具就会倾倒、外墙剥离，而且柱子与梁也产生损伤，各个楼层发生几乎相同程度的变形。

（3）部分楼层柔软的建筑物：如一楼挑空、二楼以上墙壁多的建筑物，当某一楼层比其他楼层柔软时，地震时的变形就集中于柔软的楼层，因此会有崩塌之虞。崩塌之楼层会出现极大的损害，纵然其他楼层的破坏较少，但是建筑物却变得无法使用。

3、隔震层的位置

根据建筑物的功能与结构性质去选择隔震层的位置。基础的隔震需要基坑，但是其与非隔震层部分之间的衔接，采用最低限度，就能够给建筑物整体带来隔震的效果。中间隔震层的电梯与楼梯的连接困难，适用于地下楼层多的情况，或无法设置基坑的情况时，还有地震时上方楼层比特定楼层更容易振动的构造的情况时。这类情况之下，隔震构件需要防火包覆。

4、隔震构件的能力与特性

大变形时的垂直支承能力：隔震构件要求即使在大变形时也能够确实支承建筑物的质量。叠层橡胶需要设计成当最大变形发生时重叠部分不得小于直径1/2以下的尺寸。采用直径小的叠层橡胶时，必须采用在大变形时可支承建筑物之质量的构造。

四、结束语

建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的概念，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿了整个过程，而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此，准确、合理的运用不同的抗震设计方法是非常重要的，对于不同的建筑和不同的情况应区别对待，从而寻求最合理的抗震设计。