高层建筑结构抗震设计问题及优化策略

杜 晓 丹

(山西中方森特建筑工程设计研究院，山西 太原 030006)



高层建筑结构抗震设计问题及优化策略

杜 晓 丹

(山西中方森特建筑工程设计研究院，山西 太原 030006)

结合上海环球金融中心的结构设计，介绍了高层建筑抗震设计中存在的问题，从结构体系、结构均匀性、结构延性三方面，探讨了高层建筑结构抗震设计的优化策略，以此增强高层建筑结构的抗震性能。

抗震设计，高层建筑，抗震设防烈度，重力荷载

0 引言

在高层建筑施工中，因其结构设计较为复杂，所以，对工程结构抗震设计要求较高。而在具体的抗震设计工作中，为了满足结构设计要求，应参照《抗震设计规范》，实施具体的高层建筑结构抗震设计工作。同时，在高层建筑结构抗震设计工作中，从多角度入手了解结构抗震特点，且分析结构中构件延性、结构体系、刚度分布、房屋体型等抗震薄弱环节，对其进行弥补，达到最佳的抗震设计效果。以下就是对高层建筑结构抗震设计难点的详细阐述。

1 高层建筑结构抗震设计存在的问题

就当前的现状来看，高层建筑结构抗震设计存在的问题主要体现在以下几个方面：

第一，结构体系问题。即在我国高层建筑结构设计中，为了满足居民需求，注重在150 m以上的建筑设计时，采取框—筒、筒中筒、框架—支撑体系结构设计方法。但因这三种结构设计方法涉及到了钢结构的使用，而钢结构在超过一定高度后，质量会随之减小，并表现出柔软的特点。所以，将影响高层建筑结构抗震性能。为此，应在高层建筑结构体系具体设计过程中把钢骨混凝土作为建筑结构材料；

第二，抗震设防烈度较低的问题。即在我国高层建筑结构设计中，界定中震是指50年内超越概率为10%的地震烈度，抗震设防烈度较低。同时，始终秉承着“小震不坏，中震可修，大震不倒”的建筑结构设计原则。此种建筑结构设计方法，远不如发达国家。所以，应针对抗震设防烈度较低的这一问题进行解决，并严格规范建筑结构抗震设计中梁柱承载力、轴压比、配筋率等各项参数[1]；

第三，高度问题。即因部分建筑企业在高层建筑施工过程中，基于建筑层数的不断增加，开始表现出违反现行技术规程的行为。如，延性要求、材料性能、荷载取值超标现象，影响到了建筑结构整体抗震水平。

2 高层建筑结构抗震设计优化策略

2.1 结构体系优化设计

在高层建筑结构设计过程中，为了进一步提高高层建筑结构抗震设计水平，注重优化结构体系设计是非常必要的。

首先，在结构体系优化设计中，应合理布局楼层盖梁系，即把其与构件墙、柱之间的垂直间距缩到最短，继而在建筑结构中，可更好的传递垂直重力荷载，并保持竖向构件重力荷载应力水平均匀性，避免应力的二次转移行为，影响高层建筑结构抗震性能。同时，为了满足抗震要求，在高层建筑结构体系优化中，应以“连贯性”为指导思想，科学部署剪力墙、筒体、支撑、框架等各个结构，让它们竖向重力荷载的传递更加均匀，起到最佳的抗震效果。

其次，因框架—剪力墙结构更具备抗震能力，所以，在结构体系优化中，应采取框架—剪力墙结构设计方法。而在框架—剪力墙结构具体设计中，应以双向抗侧力体系设计方式，保证两个主轴方向侧向刚度、水平承载力适宜性，且保持两个主轴方向均部署相应的剪力墙，避免相差悬殊所引起的结构扭转问题，达到最佳的结构抗震设计效果。同时，基于框架—剪力墙结构设计工作开展的基础上，应严格按照《高规》要求，控制刚度设计问题。即当框架部分地震倾覆力距是结构的10%时，应以剪力墙结构为标准，展开框架—剪力墙结构设计工作。当框架部分地震倾覆力矩是总地震倾覆力距的10%～50%时，应以框架—剪力墙结构为标准，展开高层建筑结构设计行为，而当数值超过80%时，应在采取框架—剪力墙结构设计方法的基础上，科学控制建筑高度[2]。

再次，在框架—剪力墙结构设计中承载力调整时，应按照公式：Vt≥0.2Vo进行控制。其中，Vo为总剪力；Vt为地震总剪力，Vt.max为总剪力中的最大值，最终通过各个框架总剪力的科学控制，达到较好的抗震设计。

2.2 结构均匀性优化设计

在高层建筑结构抗震性能具体设计中，为了保证建筑使用安全性，注重保持建筑结构刚度均匀性也是非常必要的。

首先，在建筑结构均匀性设计中，应做好主体抗侧力结构的设计工作。即遵从“相近”原则，科学部署建筑主体抗侧力结构的两个主轴方向，继而通过两个主轴方向的刚度均匀性部署方法，应对地震作用。即地震作用表现出风荷载方向任意的特点[3]。所以，若采取主轴方向刚度相近的设计方法，可进一步增强高层建筑抗震性能，达到最佳的建筑结构设计效果。

其次，待主体抗侧力结构设计完毕的基础上，应以“均匀性”为指导思想，展开主体抗侧力结构构成和竖向断面的设计工作，这种结构设计方法可满足高层建筑抗震要求。

再次，在高层建筑结构优化设计中，为了有效预防地震作用，应在主体抗侧力结构平面部署时，尽量保持同一主轴方向刚度的均匀性，避免因一、二片刚度较大的问题，造成地震时应力集中，发生建筑坍塌事故。

2.3 结构延性优化设计

在高层建筑结构设计中，注重结构延性的优化设计也可增强高层建筑抗震性能。而在高层建筑结构延性优化具体设计中，若采取的是钢筋混凝土框架结构设计形式，那么应在高层建筑施工中，遵从抗震性能设计要求，以“强柱弱梁”的设计方法，优化高层建筑结构延性，避免地震发生时对建筑结构造成破坏。此外，因配箍特征值过大时，高层建筑结构中的构件会表现出变形问题，影响建筑抗震效果。为此，应在结构优化设计期间，以剪压比限值的优化设计方法，提高高层建筑结构延性，达到最佳的结构抗震设计目的。

3 抗震设计实例

上海环球金融中心，在建筑结构设计中，因其建筑总高度是492 m，属于复杂的系统工程。所以，在上海环球金融中心结构抗震设计中，把厚度是4.5 m的底板作为塔楼基础[4]。同时，遵从《高层建筑混凝土结构技术规程》设计要求，对这一高层建筑结构的抗震部分进行了优化设计，采取了巨型结构体系设计方法，并在三维矩形框架结构设计中，注重保持每个主轴方向刚度的均匀性，且以三重结构设计方法，抵抗高层建筑结构中水平荷载。此外，在上海环球金融中心抗震设计中，注重保持建筑中的1层～5层周围设有剪力墙，而6层周边是矩形柱，且在各个框架结构设置带状桁架，增强建筑结构抗震性能。

从以上的分析中即可看出，基于保持高层建筑框架—剪力墙结构优化设计的基础上，可更好的控制建筑主体各轴向均匀性，增强主体抗震性能。所以，应强化对其的落实。

4 结语

高层建筑结构抗震设计工作的展开关乎着人们生命财产安全。所以，在高层建筑建造数量逐渐增多的背景下，应从结构体系优化设计、结构均匀性优化设计、结构延性优化设计三个方面入手，进一步优化建筑框架—剪力墙的设计过程。同时，在满足结构造价、重量要求的基础上，保证结构方案设计中裂缝最小、挠度最小，最终通过科学的设计，增强高层建筑结构抗震性能，避免因地震灾害造成高层建筑坍塌，威胁人们生命安全。

[1] 曾建宁.高层建筑结构抗震设计优化措施探讨[J].科技创新导报，2015，21(16)：84.

[2] 姜桂荣.浅析高层建筑抗震结构设计现状与优化方法[J].科技经济市场，2015，12(6)：208.

[3] 丁洁民，吴宏磊，赵 昕.我国高度250 m以上超高层建筑结构现状与分析进展[J].建筑结构学报，2014，13(3)：1-7.

[4] 钟银玲.高层建筑结构抗震的优化设计及趋势[J].江西建材，2013，15(5)：35-36.

The seismic design problem and optimization strategy of high-rise building structure

Du Xiaodan

(Shanxi Zhongfangsente Architectural Engineering Design Institute, Taiyuan 030006, China)

Combining with the structural design of Shanghai world financial center, this paper introduced the existing problems in high-rise building seismic design, from the structure system, structure homogeneity, structure ductility three aspects, discussed the optimization strategy of high-rise building structure seismic design, in order to enhance the seismic performance of high-rise building structure.

seismic design, high-rise building, seismic fortification intensity, gravity load

1009-6825(2017)16-0059-02

2017-03-14

杜晓丹(1983- )，女，助理工程师

TU352

A