基于抗震考虑的高层建筑结构设计要点分析

梁文辉

（国策众合（北京）建筑工程设计有限公司太原分公司 030024）

1 影响高层建筑抗震效果的相关因素

1.1 拟建场地的选择

地震作用是由于大地的运动引起建筑物结构的动态作用，当这种动态作用超过建筑物的水平抗力时，建筑物就会遭到破坏。因此，减轻地震破坏的第一道工序就是选择抗震有利的场地。比如，拟建场地应避开活动断裂段，避开容易引发滑坡和崩塌的地段。另外，对于极易引发水灾和海啸等次生灾害的不利地段也应避开。

1.2 高层建筑结构使用的原材料和施工工序

高层建筑的抗震效果与建造过程中使用的原材料有着直接的影响，一般来说，所采用原材料的质量越好、性能越好，地震作用力对建筑物的破坏和影响就越小；反之，在遭受同等地震作用力时，采用质量较差、性能较差原材料的建筑物极易遭到破坏。基于抗震考虑的高层建筑在施工中尽量选择空心砖，塑料板材以及加气混凝土板等质量较轻的材料，这些材料对提高建筑物抗震性能非常有利。

高层建筑的抗震效果与施工过程中的每个环节、每道工序也是息息相关的，因此我们在施工现场应高度重视施工中各个工序的管理工作，严格按照设计图纸和相关规范科学合理地安排每一个施工环节，确保建筑的工程质量满足抗震设计的要求。

1.3 高层建筑自身结构设计

我们把高层建筑可以看作是固定在地面上的一个悬臂结构，它一方面受垂直荷载作用，另一方面受水平荷载作用。其中，垂直荷载使结构产生轴力，其大小与建筑物高度基本呈线性关系；水平荷载使结构产生弯矩，其大小与建筑物高度基本呈二次方变化。一般情况下，对地震作用效应影响较大的是水平荷载，高层建筑抗震结构设计首先要保证建筑物的结构要有较大刚度。高层建筑结构设计的主要矛盾就是抗水平力，我们应根据抗震等级和水平荷载的分布设计采用不同的结构体系。

高层建筑一般采用钢结构或钢筋混凝土结构，其二者各有其特点。其中：钢结构具有自重轻、抗震性能好、强度高、延性好以及施工工期短等优点，其缺点是造价要比钢筋混凝土结构高。当场地地基土的特征周期较长时，地震时极易引发共振，造成更大的破坏；钢筋混凝土结构具有刚度大、造价低、整体性好、承载能力大等优点。其缺点是结构自重大、抵抗塑性变形的能力相对较差。因此，钢结构一般用于柔性结构，钢筋混凝土结构一般用于控制塑性变形的刚性结构。

2 基于抗震性能的高层建筑结构设计要点分析

基于抗震性能的高层建筑结构设计要点分析主要包括：结构抗震设计计算、抗撞墙和防震缝的设计、各种建筑结构的破坏机制的设计等，下面我们着重从这三方面进行详细的分析评价：

2.1 结构抗震设计计算要点

基于抗震性能的高层建筑结构设计的结构抗震设计计算要满足如下要求：

（1）在进行弹性和非线性的分析计算中，要合理正确地选择结构整体计算模型，以及构件和节点的计算参数。

（2）在对具有水平转换构件的结构抗震设计计算中，对不落地柱和墙体的转换梁以及框支梁的相邻层计算层数和层高要注意区分清楚，要正确划分转换厚板有限元的类型。

（3）对剪力墙抗震设计计算，要正确选择非线性分析中的计算模型和各种计算参数；对采用滑动支座的结构进行大震下的抗震设计计算，采用的计算模型应考虑支座两侧结构的相互作用和影响；对平面尺寸凹凸不规则，以及平面内局部开设大洞口的结构进行抗震设计计算时，应根据开设洞口大小、数量和分布位置以及抗侧力构件的布置形式等合理建立计算模型。

（4）要正确合理选择分片刚性楼盖和整体非刚性楼盖的结构抗震设计计算模型，比如楼板在大震下不能处于基本弹性状态时，要先研究出合理的计算模型后再进行抗震设计验算。

（5）对于采用了消能减震措施的结构，在进行抗震结构设计计算时要合理选择构件和整体结构的有效阻尼比，另外要注意节点和构件的计算参数对整体结构计算的影响。

（6）对于结构体系复杂，难以准确反映各构件受力状态的抗震结构设计，应采用各种不同的力学模型进行设计计算，然后予以分析对比；另外，有时还需要进行对应的模型试验来确定计算的可信程度。

2.2 钢筋混凝土结构防震缝与抗撞墙的设计要点

2.2.1 防震缝的设计要点

防震缝的宽度既不能太大，也不能太小。如果防震缝的宽度太小，在强烈地震下相邻结构就会发生局部碰撞而损坏；如果防震缝宽度过大，就会给建筑物的立面处理带来困难。因此，建筑抗震设计规范中对抗震缝的最小设计宽度给予了相关规定。防震缝可以结合沉降缝贯通到地基，无沉降问题时也可从地下室顶到屋顶贯通，无需贯通至地基。

2.2.2 抗撞墙的设计要点

在Ⅷ度和Ⅸ度区，框架结构房屋防震缝两侧层高相差较大时，应在防震缝两侧房屋的尽头沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙。一般来讲，每侧的抗撞墙的数量不少于两道，且应对称布置。抗撞墙的长度不应大于层高的一半，以避免产生较大的扭转效应。

2.3 结构破坏机制条件下的设计要点

2.3.1 框架结构的设计要点

为充分发挥框架结构整体的抗震能力，在结构破坏机制下较合理变形模式为：保证框架节点基本不遭到破坏，而梁的屈服要比柱的屈服早发生和多发生；在同一楼层中，要保证各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底塑性铰要最晚发生变形，且梁端和柱端的塑性铰发生变形不宜集中。

2.3.2 框架-抗震墙结构的设计要点

框架-抗震墙结构中梁的宽度不应大于墙的厚度，否则在强震的作用下就会发生剪切破坏。连梁要保证有足够的变形能力，梁端发生塑性屈服变形，保证墙段在充分发挥抗震作用前时不失效。

2.3.3 板柱-抗震墙结构的设计要点

板柱节点应进行冲切承载力的抗震验算，且应计入不平衡弯矩引起的冲切。为了防止强震作用下楼板脱落，穿过柱截面的板底两个方向的钢筋的受拉承载力应满足该层楼板重力荷载代表值作用下的柱轴力设计值，一般来讲，抗剪栓钉的抗冲切效果优于抗冲切钢筋。

2.3.4 框架-核心筒结构的设计要点

框架-核心筒结构的核心筒与周边框架之间采用梁板结构时，各层梁对核心筒有一定的约束，可不设加强层，梁与核心筒连接应避开核心筒的连梁。当楼层采用平板结构且核心筒较柔时，在地震作用下不能满足变形要求，或筒体由于受弯产生拉力时，宜设置加强层，其部位应结合建筑物功能设置。为了避免加强层周边框架柱在地震作用下由于强梁带来的不利影响，加强层的大梁或桁架与周边框架不宜刚性连接。

3 结语

近年来，我国高层建筑抗震设计实例中也广泛应用基于性能考虑的抗震设计方法，且目前已取得了显著的成绩，这对提高我国高层建筑的抗震设计的可靠性有很大的推动。随着我国建筑行业的不断发展，大量研究工作的不断深入和工程实例的不断应用，基于性能考虑的抗震设计方法也会变得日趋完善，我国高层建筑的抗震能力又会上到一个新的台阶。