分析建筑结构抗震设计关键问题

侯文正

摘要：針对建筑结构抗震设计，在简单介绍建筑结构体系及要求的基础上，提出层间位移角限值与最小地震剪力两个设计关键问题，为有效提高建筑结构抗震设计水平提供参考借鉴。

关键词：建筑结构；抗震设计

建筑如果因地震而倒塌将造成巨大伤亡和损失，尤其是高层与超高层建筑，所以必须格外重视其抗震设计，但超高层建筑不同于普通高层建筑，在很多方面都存在需要进一步分析的问题，解决这些问题对保证设计质量有重要作用。

一、结构体系

从实践与理论中可以看出，在保证经济合理性的基础上，每个结构体系都有其适合的应用范围：（1）抗侧力类型为无空间作用时，常用结构体系有框架结合剪力墙、纯框架、纯剪力墙等，在高度不超过200m的情况下使用；（2）抗侧力类型为部分空间作用时，常用结构体系有框架结合核心筒、框筒与分散式独立筒等，在200-300m的高度范围内使用；（3）抗侧力类型为明显空间作用时，常用结构体系有筒中筒、巨型结构等，在300-400m的高度范围内使用；（4）抗侧力类型为增强空间作用时，常用结构体系有筒中筒结合伸臂加强层、支撑框架结合核心筒、成束筒等，在400m以上的情况下使用[1]。

以上适用范围并非严格界定，表现为刚度方面存在很大可以进行调节的空间，设计中需要综合考虑建筑使用功能等因素，和机电等相关专业相互配合深入分析设计方案，经比较确定最佳的设计方案。

从结构基本概念角度讲，对建筑而言，其增强侧刚度应综合考虑下列几方面：第一，优先考虑有较强空间作用的体系，使对倾覆弯矩有较强抵抗作用的构件保持在轴压的状态，并非受弯与受拉；第二，对倾覆弯矩有抵抗作用的竖向构件应设于结构外侧边缘；第三，确保更多的竖向作用力能传递至对侧向倾覆力有抵抗作用的竖向构件；第四，对竖向构件而言，应采用刚性连接来承受作用力，以削弱剪力滞后效应造成的影响；第五，在条件允许的情况下，对不同的结构体系进行相互结合[2]。

二、层间位移角限值

它在现有的规范体系当中属于综合性刚度分析指标。在50年一遇小震情况中，其层间位移角和50年回归期风荷载情况中对应的位移角应保持相同，一方面要确保主结构处在弹性的状态，防止竖向构件产生裂缝，或减小水平构件裂缝严重程度；另一方面要保证所有非结构构件的安全性与完好性，且基础设施等正常使用。大震条件下，建筑尤其是超高层建筑不发生倒塌与整体性方面的要求同样是通过这一位移角实施综合判断。需注意，因建筑中的特殊区域产生的弯曲变形现象没有主导性的作用，所以对此类特殊区域进行的变形判断应根据剪切层间位移情况。

三、最小地震剪力

现行规范对建筑结构在一定地震条件下的地震剪力提出了明确要求。通过对规范说明的了解得知，提出这一要求的目的在于长周期情况下加速度反应谱以较快速度下降，但其结构大多由位移与速度决定，为了保证安全性，需要规定最小地震剪力。从概念的角度讲，该做法能用于超高层建筑，尤其是长周期性质的。如果高层建筑最小地震力无法满足要求，则应通过内力的增加来保证安全度[3]。

因结构刚度和地震剪力有重要关系，所以规范要求如果最小剪重比没有达到要求，且与要求相差较大时，应对结构布置进行调整，或者是增加一定的刚度，不可只通过对系数的增大来完成抗震分析与设计。超高层建筑属于特殊结构，其最小剪力要求与设计方法在一定程度上是有争议的。

1.建筑高度和剪重比。

以某建筑为例进行分析，通过对结构的分析可得，在场地相对较好，并且特征周期不长的区域，高度不超过400m的建筑，通过对结构抗侧刚度的适当增加，或使用新型轻质材料，较易符合剪重比要求；当高度超过400m，但在500m以下时，则难以满足要求，但不包括抗侧刚度主要由风荷载进行控制的情况，否侧必须增加相应的材料；而超过500m的建筑，为尽可能满足规范的要求，需选择具有极强抗侧刚度的体系，这样可能会增加一定材料的使用量。此外，在这种情况下，由地震作用及风荷载控制的层间位移，对抗侧刚度将失去控制作用。

2.建筑场地和剪重比。

现行技术规范当中对剪重比提出的要求为强制规定，不分场地的类型。在这种情况下，如果建筑的周期较长，则在设计过程中就会遇到如表1所示的问题。通过试算分析可知，模型于7度地区剪重比不小于0.08%，在设计过程中应增强侧向刚度来满足底限要求，但如果同样的建筑、同样的烈度，建设在场地条件相对较差的地区，其剪重比为1.06%，符合要求，无需对刚度进行增强。通过对比分析可知，若场地条件不同时采用相同的剪重比要求，则会出现以下情况：场地条件好的不容易满足要求，而场地条件差的则容易满足要求。因此，在设计中，还应考虑场地条件因素[4]。

表1中，false表示地震影响系数；false表示特征周期；

false表示剪重比要求；false表示剪重比要求的计算值。

3.阻尼比和剪重比。

新的技术规范指出剪重比可以不考虑阻尼比，同时属于最低要求，消能减震结构同样必须满足这一要求。设计过程中，因建筑阻尼比较低时无法满足剪重比，在此基础上继续通过消能设计来减小地震响应会使剪重比更无法达到要求。对最小剪力提出的限制要求本质上制约了消能技术在实践中的应用，通过对现阶段技术实际应用情况的了解发现，谨慎同样是一种合理的做法。

四、结束语

综上所述，超高层建筑和高层与普通建筑有本质上的不同，尤其是在抗震设计方面，需要注意很多方面的问题。只有在设计中综合考虑每一项因素，并满足规范提出的各项要求，才能保证抗震设计质量，使建筑结构具有良好的抗震能力。

参考文献：

[1]毛俊义.钢筋混凝土超高层建筑结构抗震设计研究[J].低碳世界，2017（21）：124-125.

[2]刘皓.建筑结构中抗震设计体会与概念设计应用[J].四川建材，2017，43（06）：38-40.

[3]邱子龙.关于建筑结构抗震设计若干问题的讨论[J].建材与装饰，2016（08）：76-77.

[4]李振子.建筑结构抗震设计的基本要求及解决方案[J].居业，2015（24）：63-64.