高层建筑结构抗震性能设计研究

王志成

（中国中轻国际工程有限公司 100026）

0 引言

在高层建筑角度上，因为其高度较大，上部结构因为与地基联系不紧密，在抗震性能表现不佳的条件下，在短时间内就会出现过快、过大的晃动，随后就会坍塌，说明高层住户逃离现场的时间较短，同时高层住户逃离现场的路线较长，短时间内难以实现目的，由此可见高层建筑抗震性能的重要性，所以在高层建筑结构设计当中，必须考虑到建筑抗震性能。

1 抗震性能的形成原理

高层建筑抗震性能的形成主要源于三个方面，即结构刚度、整体性、可塑性，下文将对这三个抗震性能的形成因素的具体表现进行分析。

1.1 结构刚度

结构刚度是指建筑在受到外力冲击时，其对应产生的抵抗力，可以将其视为“硬度”，如果建筑结构的刚度较高，则代表建筑可以承受一部分的冲击力，如果冲击力低于刚度产生的抵抗力，则建筑不会坍塌。那么在地震条件下，地震给建筑带来的冲击力无疑是巨大的，良好的刚度可以降低冲击力的水平，延长建筑在地震条件下的稳定时间（因大多数地震的持续时间较长，巨大冲击力会一直对建筑造成冲击，导致建筑内部结构发生位移，破坏其刚度性能，所以最终结果往往还是坍塌，但如果地震持续时间较短，则不会坍塌），这可以给高层住户提供充足的逃生时间，说明结构刚度的意义非凡，是建筑抗震性能中的核心因素。

1.2 整体性

建筑结构的整体性是决定结构刚度水平、引导外力走向的重要因素，在抗震性能中发挥这巨大作用。具体来说，建筑结构的整体性是否良好，可以从其各个部位的力学表现上来进行判断，即良好的整体性，其各个结构之间的力学表现联系紧密，且整个力学结构分布均匀，其中没有薄弱点，如果有任意一项不满足，则说明整体性较差，在这一条件下，当建筑遭受地震外力冲击，整体性良好的建筑结构会将冲击力“化整为零”，分摊给各个建筑结构，以免冲击力过于集中而导致某个部位损毁，相继引发结构性坍塌，这一点说明良好的整体性有利于建筑刚度提高，且体现出引导外力走向的功能。

1.3 可塑性

在大部分案例当中可见，无论建筑结构的抗震性能多么优秀，其面对大型地震时，坍塌只是时间问题，而一些具有良好可塑性的建筑结构，其在地震中“坚持”的时间更长。原理上建筑的可塑性可以视为“自稳定性”，使建筑每一次的位移、形变时间缩短，如果没有后续外力影响，建筑同样可以保持稳定，所以可塑性越高，则建筑抗震性能越好，给住户逃生时间做出了杰出贡献。

2 影响抗震性能水平的主要原因

实际上，高层建筑抗震性能水平会受到多种原因影响而发生不良变化，对此本文不便一一细说，主要挑选其中较为主要的原因进行分析，即建筑材料、力学结构、框架设计。

2.1 建筑材料

建筑材料是除整体性以外，对建筑结构刚度具有重大影响的另一项原因，即高层建筑所使用的材料，其强度是否达标，将决定建筑结构的刚度。具体来说，现代高层建筑多采用混凝土、钢筋作为主要施工材料，其中混凝土的强度取决于混合料的级配、混凝土结构厚度，在级配达标、厚度达标的条件下，结合整体性框架，就可以形成良好的刚度，相反如果有任意一项未被满足，则说明建筑结构刚度不佳，抗震性能不满足要求；钢筋是实现建筑基本框架的主要材料，所以钢筋是否具有良好的承载能力，就代表建筑承受地震冲击力的限度。综上可见，建筑材料是影响高层建筑抗震性能水平的主要原因。

2.2 力学结构

力学结构代表的是建筑的整体性，其具有几项指标：载荷能力、力学分布是否均匀、结构联系是否紧密。具体来说，在高层建筑抗震设计当中，如果整体结构的载荷能力低于规范标准，则无论后两项指标表现如何，其面对地震冲击力都是“有心无力”，所以在权重上载荷能力是力学结构质量评估的最高指标；力学分布是否均匀方面，结合上述整体性分析可见，如果结构中存在薄弱点，则代表力学结构分布不均匀，在地震冲击下容易出现局部破坏，随之受后续冲击力以及重力影响，会产生整体性坍塌，这一指标如果表现不佳，则无论结构是否紧密，都会出现上述问题，所以在权重上力学分布是否均匀是力学结构质量评估的第二指标；结构联系是否紧密方面，结合上述整体性分析中的引导外力走向的功能，如果联系不紧密，则无法实现这一功能，其在权重上是力学结构质量评估的第三指标。

2.3 框架设计

结合当前最常用的抗震结构（框剪结构）来进行分析。在很多框剪结构应用案例当中可见，其具有良好的自稳定性，说明该结构可以实现良好的可塑性，但如何在该框架结构的设计当中出现了问题，就必然破坏其自稳定能力，降低可塑性表现，因此框架设计工作是影响高层建筑抗震性的主要原因。

3 抗震性能优化方法

3.1 规范设计

在高层建筑抗震性能设计当中，任何设计方案都必须满足国家规范要求，否则无论其性能表现如何都不能采用，这是该项设计的基本原则，同时根据国家规范要求，可以判断设计方案抗震性能是否需要优化以及优化方向。具体来说，目前我国对于高层建筑抗震性能的基本要求为：高层建筑抗震性能必须高于地区地震烈度一级，依照要求设计人员需要对建筑材料进行选择，确保其级配以及性能达标，再对设计结果进行测试，确认其整体性表现，如果任意一项存在缺陷，则说明设计方案需要优化，优化方向即为缺陷问题。

3.2 地震外力传递渠道设计

在整体性要求下，其引导外力走向功能的主要原理就在于：建筑结构当中存在若干地震外力传递渠道，那么要保障整体性、实现力学结构均匀分布，就必须对地震外力传递渠道进行设计，且针对其中不合理进行优化。具体来说，可以借助BIM 技术构成方案三维模型，模拟其在地震外力条件下的外力引导表现，根据各外力传递渠道上的力学数值，判断设计是否合理，如果不合理则针对问题渠道进行调整即可。

3.3 多抗震防线设计

多抗震防线设计可以形成良好的可塑性，在理论与实践上都具有良好的表现，因此该设计方法可以作为优化高层建筑抗震性能的方法来使用。但值得注意的是，多抗震防线设计应用中，会导致施工成本增高、建筑内部空间侵占问题，因此设计人员应当在综合角度上来应用该方法，在实现良好抗震性能的同时，兼顾建筑功能性。

4 结语

综上，说明抗震性能对于高层建筑的重要性，阐述了其形成原理，为建筑结构设计提供了方向；了解了高层建筑抗震性能设计的影响因素，在设计当中应当避免各类因素出现不良表现；对抗震性能优化方法进行了分析，了解了各方法的应用方式以及注意事项。