超限高层建筑结构抗震设计分析

梁桂兰

关键词：超限高层建筑物结构;抗震效果;设计;性能分析

随着建筑行业施工技术水平的不断进步，各类新型建筑材料被广泛应用，导致在城市化建设过程中建筑物的楼宇高度大幅度增加，超限高层建筑物数量激增。我国现如今超限高层建筑的数量名列前茅，但将近八成以上的超限高层建筑分布于7度、8度的中高烈度区，与此同时，我国也是频频发生地震灾害的国家之一[1]。科学、合理的抗震设计能够为居民的人身和财产安全提供保障。基于此，在设计过程中，相关人员必须充分意识到地震对于建筑物的危害及影响，并结合建筑物的实际施工环境进行相应的抗震设计。

超限高层建筑概述

建筑上的超高层建筑是指高度超过100米的建筑。而超限高层建筑是结构设计专业中的一个概念，在工程项目中主要表述为高度超限工程、规则性超限工程、屋盖超限工程。高度超限工程是指建筑高度超过相关规范规定的各结构类型的最大适用高度;规则性超限工程是指房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于各规范规定的特别不规则的高层建筑工程;屋盖超限工程是指屋盖的跨度、长度或结构形式超出各规范规定的大型公共建筑工程;其中最为常见的是高度超限工程和规则性超限工程。针对超限高层建筑，政府管理机构出台了相关文件，规定必须进行抗震专项设计及专项审查。

超限高层建筑结构抗震分析理论

地震作为一种突发式自然灾害，是各板块由于地球运行而发生挤压碰撞所产生的自然现象，通常包括火山地震、构造地震以及陷落地震三种类型，其中构造地震、陷落地震是最为常见。高层建筑结构抗震分析以结构动力学理论为基础，分析高层建筑结构的抗震性能[2]。根据所应用的理论不同，将高层建筑结构抗震理论发展分为静力理论、反应谱理论以及动力理论三个阶段。在具体的高层建筑结构设计过程中，应该结合实际建筑物结构分析其抗震能力，进而选择不同的地震作用分析方法。因此，在进行高层建筑的抗震设计过程中，采用的结构抗震方案必须能有效抵御地震灾害，同时能够减轻地震灾害发生时引发其他因素造成的破坏。

三、高层建筑结构抗震能力设计分析研究

（一）场地的选择

高层建筑的场地选择能够影响其整体抗震能力，一般可根据场地特征将工程建设用地划分为四个地段：由稳定基岩和均匀的中硬土共同组成的有利地段、介于有利和不利之间的一般地段、由软弱土以及液化土不均匀土层等组成的不利地段以及可能发生滑坡、地陷、地裂以及泥石流等危险地段。不利地段对建筑物明显具有一定的危害性，因此，不利于高层建筑的施工建设[3]。不同场地地段有不同的岩土结构构成，岩土构成的差异性对同样地形条件的地震效果的影响不同，由于岩土的剪切波速具有一定的差异性，不同的土层剪切波速以及覆盖层厚度能够影响场地类别的选取。场地类别和设计地震分组能够影响结构的特征周期参数（Tg），根据相关的地震影响系数曲线得知，当结构自振周期T为0.1秒～1Tg时，地震对建筑物的影响最大，当T在1Tg～5Tg区间时，地震影响系数曲线呈下降趋势。当结构的自振周期固定时，特征周期越大，地震影响系数越大，所以地震发生场地特征周期能够影响地震强烈程度。有利地段比不利地段的剪切波速大，特征周期小，其地震作用相对较小，因此，超限高层建筑的建筑场地应该优先选择有利地段以及一般地段，尽量避免选择危险地段以及不利地段。

超限高层建筑的处理和分析

对于超限高层建筑，既要计算因地震作用下内力和变形数据（同时应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算），同时计算结构在罕遇地震作用下薄弱层（部位）的弹塑性变形[4]。罕遇地震作用下的弹塑性变形控制能够有效预防结构薄弱层遭到破坏。对超限高层建筑在地震作用下内力和变形进行分析，应采用至少两个不同力学模型进行计算，并对比计算结果。对于结构布置不规则的建筑物，结构优化过程应该遵循以下原则：对于扭转不规则的结构，可以适量增加外围柱的截面、梁截面高度以及墙肢长度等进行位移比和周期比的调整;对于平面凹型布置的结构，可以在其凹槽处增加拉梁以及结构板的方式使其整体结构变得更加规则;对于细腰型以及角部重叠型的结构，可以在通过结构板的增加实现建筑结构平面规则化的目标;对于楼板出现开洞，刚度、楼板尺寸以及承载力突变，以及上部结构侧向刚度不规则建筑结构，可通过不断调整结构布置来减少结构的不规则类型，使其更容易满足地震作用下内力以及变形计算的相关要求 [5]。一般来说，高度超限无法避免，但是可以尽量减少不规则项次，规避规则性超限工程。

高层建筑结构的抗震能力水平

根据高层建筑抗震性能的相关参数要求可以得知，抗震能力作为建筑结构性能的重要组成部分，该性能的水平主要由结构、非结构以及建筑物附属设备设施等共同组成[6]。

在超限高层建筑物整体结构的设计中，针对不同水平的地震作用，设计的结构抗震能力不同。超限高层建筑结构的抗震能力可以分为以下几种：第一种，震后结构完好，无需修理，能够直接投入建筑物的实际使用;第二种，震后结构基本完好，少数需要进行修补处理，再投入建筑物的实际使用;第三种，震后结构关键部位完好，其余部位出现明显裂缝，需要进行一系列安全措施的补救，才能使用;震后结构关键部位发生相对严重的损坏，其余部位进入休眠阶段，需要对其进行修理、加固，才能投入使用;震后关键部位明显受损，其余部位严重受损，整体结构尚未倒塌。

因此，在进行超限高层建筑物整体结构的设计工作中，相关工作人员应该选用抗震效果较好的延性结构体系、隔震措施及相关抗震措施，进而降低地震对于建筑的作用，減少地震破坏及影响。此外，不断提升超限高层建筑结构抗震设计水平，加大对新型钢结构的研究力度，进而为建筑结构抗震效果提供保障。

结束语：

综上所述，地震是无法提前预知和避免的，在进行高层建筑结构抗震能力的设计时，工程师们在进行超限高层建筑结构抗震设计工作中，应该结合建筑结构特点、抗震能力水平等相关研究数据，设计出科学合理、具有较强的安全性的建筑物为人们的生命安全提供保障，进而促进建筑行业能够更好地发展。

参考文献：

[1]魏勇.超限高层建筑结构抗震设计失效的研究[D].大连理工大学，2018.

[2]陈宇飞，郝绍金，马贵红，袁玉茂.超限高层建筑结构抗震设计失效分析[J].工程抗震与加固改造，2020，42（06）：175.

[3]吴桂广，焦柯，赖鸿立，袁辉.超限高层结构构件抗震性能分析若干问题探讨[J].建筑结构，2021，51（18）：85-91.

[4]杨骏超.某竖向不规则超限高层框架-剪力墙结构抗震性能分析与优化设计方案探讨[D].南昌大学，2020.

[5]李标.高层建筑全框支剪力墙结构抗震性能研究[D].华南理工大学，2020.

[6]张锋.高层斜交网格结构受力与抗震性能分析[D].西安建筑科技大学，2021.