高层建筑结构抗震性能处理措施分析与设计

张涛

摘 要：改革开放以来我国经济科学都有了很大的发展，与此同时建筑物的抗震性能结构设计也有了很大的进步，但是与国外的技术水平相比还是存在着很多不足，工作人员需要再接再厉不断提高我国建筑物的抗震水平。为增加高层建筑结构的抗震性能，不仅仅要依赖于精确定位抗震计算分析，更要重视高层建筑结构的设计方案。因此，在进行设计时，要多采用结构相对规则的体系，综合评定施工场地的地质条件，做好地震设防工作，加强防震措施，保证高层建筑结构的抗震性能。文中论述了高层建筑结构抗震性能处理措施分析与设计。

关键词：高层建筑；结构；抗震性；处理措施

1 高层结构的抗震性能水准

在地震水准不同的情况下，对高层的建筑结构在性能水准，还有性能目标方面的要求也不同，具体而言，它的抗震结构性能可以分为下面几个标准。第一，高层结构在发生地震之后，最好是完好无损伤，同时在一般的情况下，是不需要进行修理就可以继续使用的，而且建筑还要可以进行正常的安全出入以及使用。第二，如果地震发生后，其结构发生了非常明显的损坏，而且大多数的构件都发生了中等的损坏，从而进入屈服状态，在有比较明显的裂缝下，大部分的构件都有很严重的损坏程度，但是其整体的结构并不会发生倒塌，同时也没有局部倒塌的情况，建筑中的人员会有一定程度的伤害，但是对他们的生命安全却没有太大的威胁。

2 我国高层建筑抗震设计中的一些问题

2.1 高度问题

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）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。这个高度在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下是较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大，同时巨大的倾覆力矩在柱中和基础中所引起的压力和拉力均较难处理。

2.2 材料的选用和结构体系问题

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框-筒、筒中筒和框架-支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。

2.3 抗震设防标准较低

现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”，并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内（50a）超越概率为10%的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，抗震性能化设计日渐成为重要的设计手段。

3 高层建筑结构抗震设计的优化措施

3.1 选择有利的抗震场地

地震对建筑物的破坏程度，除了地震的震动直接引起的结构破坏，场地的选取也是一个重要的因素。地震可能引发地表的错动和地裂、地基面的沉陷、滑坡和砂土液化等，因此，高层建筑场地的选择至关重要，应选择对建筑抗震有利的地段，应避开对抗震不利地段，如软弱土；易液化土；条件突出的山嘴；高耸孤立的山丘；非岩质陡坡、采空区；河岸和边坡边缘；场地土在平面分布上的原因、岩性、状态明显不均匀等地段；当无法避开时，应采取适当的措施提高抗震能力，应根据抗震设防类别、地基液化等级，采取加强地基和上部结构整体性和刚度、部分消除地基液化沉陷等措施；当地基主要受力层范围内存在软弱性土层、新近填土和严重不均匀土层时，应预测到地震时会出现地基不均匀沉降或其他不利影响，所以就应采用合理的基础形式（如桩基）、地基加固和加强上部结构等处理措施；对于地震时可能导致滑移或地裂的场地，应采取加强地基稳定的措施。基础设计时，同一结构单元不宜设计在性质截然不同的地基上，也不宜部分采用天然地部分采用桩基，不宜部分采用端承桩部分采用摩擦桩；高层建筑宜设置地室，避免采用局部地室。

3.2 优化平面和立面设计

（1）结构的简学性。结构简单是指结构在地震作用力下具有直接和明确的传力途径。只有简单的结构，才能够易于把握建筑结构的计算模型、内力位移分析和结构薄弱部位，从而对结构的抗震性能也有更可靠的估计。

（2）结构的刚度和抗震能力。水平地震的作用是双向的，建筑结构设计应使高层建筑能抵抗任意方向的地震破坏。通常设计可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力，结构的抗震能力则是结构强度及延伸的综合反映。结构刚度的选择不仅要能减轻地震破坏作用，还要注意控制结构变形的增幅，过大的变形会产生重力二阶效应，导致结构破坏、失稳。

（3）结构的整体性。在高层建筑结构中，楼盖的设计对高层建筑整体性起到至关重要的作用，楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力结构，而且要求这些结构能协同承受地震作用。特别是竖向布置复杂或抗侧力构件水平变形特征不同步的结构，就更要依靠楼盖使抗侧力与结构能协同工作。

3.3 抗震结构体系完善的设置

抗震建筑结构体系应全面考虑到建筑物的设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，经过技术、经济技术、经济条件综合考虑来确定。首先应设较多道抗震防线，从而避免因部分结构或构件破坏而导致整个高层建筑结构体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力减弱。这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。同时底框建筑底层高度不宜太高，应控制在4.5m以下。高度的增加，会导致底层刚度减小，重心就会提高，使框架柱的长细比例增大，更容易出现不平衡现象。同时由于高度较高，不少业主会自行改变建筑房间，把一层改为两层或者更多，从而为整个楼层带来安全隐患。所以合理的刚度和强度分布，会避免因局部消弱、突变性、过大的应力集中或塑性变形集中这些因素所可能产生的薄弱部位。

4 结束语

概念设计要求工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。

参考文献：

[1] 赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2000.

[2] 郭继武.建筑抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] 徐正忠.建筑抗震設计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.