超高层建筑结构抗震性能研究

黄智谦

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

针对现代城市化快速发展的趋势，超高层建筑已成为城市发展中的重要建筑型式，而超高层结构体系的抗震性能是当前重要的关注之一[1]。然而在地震等自然灾害中，由于超高层建筑的高度、重量、结构复杂性等特点，其易受到严重破坏，给人们的生命财产安全造成巨大威胁。因此，提高超高层建筑的抗震性能成为当前研究的热点之一。随着人们对建筑安全的日益重视，超高层建筑在地震中的安全性也越来越受到广泛关注。由于超高层建筑的高度和重量都非常大，其抗震能力易受影响，往往容易在地震中发生倒塌等严重事故，给人们的生命财产带来极大的损失。超高层建筑在地震中的破坏主要是由于其结构抗震性能不足所导致。因此为提高超高层建筑在地震中的安全性，必须要改善其结构抗震性能。针对这一问题，考虑到超高层建筑的结构复杂性、高度和重量等特点，需要进行深入的理论和实证研究，并采用多种方法和技术手段来提高其抗震性能。本研究旨在采用理论分析和实证研究相结合的方法，系统探讨超高层建筑结构抗震性能的现状与发展趋势，分析超高层建筑的抗震设计理论基础和建筑材料力学性能对其抗震性能的影响，探索不同设计方案下的抗震性能比较，并探讨抗震减震技术在超高层建筑结构设计中的应用。这一研究将有助于提高超高层建筑的抗震性能，强化其在地震等自然灾害中的安全性，为城市的可持续发展做出重要贡献。

1 理论分析

1.1 超高层建筑抗震设计的理论基础

超高层建筑的抗震设计是建筑结构设计的重要组成部分。其设计理论基础包括弹性力学、塑性力学、材料力学、地震工程等知识。其中，弹性力学理论是抗震设计中最基础的理论之一。它主要研究物体在受外力作用下产生的弹性形变和应力分布的规律，从而确定物体的弹性模量、刚度和自然振动频率等重要参数。在超高层建筑的抗震设计中，通过弹性力学理论研究建筑结构的刚度、振型、固有周期等参数，可以为建筑的抗震设计提供重要参考。

此外，塑性力学理论也是超高层建筑抗震设计中的关键理论之一。它主要研究物体在受外力作用下产生的塑性形变和应力分布的规律，从而确定物体的屈服强度、极限强度和延展性等重要参数。在超高层建筑的抗震设计中，通过塑性力学理论研究建筑结构的破坏机制、屈服强度、变形能力等参数，可以为建筑的抗震设计提供重要参考。

1.2 建筑材料力学性能对超高层建筑结构抗震性能的影响

建筑材料力学性能是超高层建筑结构抗震性能的关键因素之一。建筑材料的强度、刚度和延展性等参数直接影响到超高层建筑的抗震能力。其中，混凝土、钢材和木材等常见建筑材料的力学性能表现出明显不同。混凝土具有较好的压缩强度和抗震性能，但其弯曲刚度和抗张强度较差；钢材具有较高的强度和刚度，但容易产生局部屈曲和脆性断裂；木材具有较好的抗震性能和消能能力，但其强度和刚度较低。因此，在超高层建筑的抗震设计中，应该充分发挥不同建筑材料的性能优势，通过优化组合，提升建筑结构整体抗震性能[2]。

总之，超高层建筑抗震设计的理论基础和建筑材料力学性能对建筑结构的抗震性能具有重要影响。在超高层建筑的抗震设计过程中，需结合实际应用需求和工程经验，综合运用弹塑性设计、地震动响应分析、减震措施等手段，全面提高建筑结构的抗震性能，确保超高层建筑在地震等自然灾害中的安全性和稳定性。

2 实证研究

2.1 研究方法的设计

本研究采用实验研究和分析研究相结合的方式，通过对不同建筑结构体系在地震作用下的受力状态和变形特征进行测试和分析，评估其抗震性能。具体采用的研究方法如下。

（1）模拟地震试验。通过将建筑结构置于振动平台上，模拟真实地震环境下的地震作用，观察其受力与变形情况。

（2）数值分析。利用有限元分析等方法对建筑结构进行数值模拟，分析其受力与变形情况，并进行参数敏感性测试和优化设计。

2.2 研究对象的选择和实验过程的安排

本研究选取了不同类型的建筑结构体系，包括框架结构、剪力墙结构和框架-核心筒结构[3]，共计6 个不同样本，如表1 所示。每个样本均按照最新的抗震设计规范进行设计，并在模拟地震试验装置上进行试验。

表1 研究对象的选择

试验装置的参数如下。

（1）地震动参数。根据中国地震局发布的《地震动参数区划图》选择对应的地震参数。

（2）模拟地震波。采用椭圆扫频波形进行地震波模拟，具体参数如下：峰值加速度为0.2g；规律性为长周期；峰值频率为1Hz。

（3）数据采集系统。使用测力计、位移计等装置对试样受力变形进行实时采集和记录。

2.3 实验数据的处理和分析

在试验过程中，对试样的受力和变形情况进行了实时采集和记录，并将数据进行整理和分析。具体数据如下。

（1）总受力与变形情况。包括试样的总受力、最大位移等参数。

（2）局部受力与变形情况。包括试样不同部位的受力与变形情况。

按照上述数据对每个样本在地震作用下的抗震性能进行评估和比较，如表2 所示。

表2 每个样本在地震作用下的抗震性能评估与对比

3 结果讨论

3.1 超高层建筑结构抗震性能的分析

本研究采用实验研究和分析研究相结合的方式，通过对不同超高层建筑结构体系在地震作用下的受力状态和变形特征进行测试和分析，评估其抗震性能。在试验所用地震动参数下，本文得出以下结论。

（1）在超高层建筑中，略带柔性的设计能够提高结构的延性和韧性，有利于在地震作用下吸收能量和减小变形。其中，框架-核心筒结构具有较好的韧性和延性，在保证刚度和强度的同时，增强结构的耗能能力。

（2）剪力墙结构的抗震性能优于纯框架结构，主要原因是剪力墙所能提供的水平抗力较大，可以有效减小结构的变形和损伤。

（3）不同超高层建筑结构体系的抗震性能存在明显差异，需要根据具体设计情况进行综合考虑。

3.2 不同设计方案下的抗震性能比较

为了进一步探讨不同设计方案对于超高层建筑抗震性能的影响，在一定地震动参数下，选取了3 个不同的超高层建筑设计进行了实验。实验结果如表3 所示。

表3 不同设计方案对于超高层建筑抗震性能的影响

从实验数据可以看出，不同设计方案下超高层建筑的抗震性能存在较大差异。纯框架结构抗震性能最差，产生了严重的破坏；而框架-核心筒结构的两个样本，都能够在一定程度上发挥剪力墙的抗震作用，增强结构的韧性和延性，表现出了更好的抗震性能。

3.3 抗震减震技术在超高层建筑结构设计中的应用

为提高超高层结构的抗震性能，已有工程项目中采取消能减震技术，研究表明消能减震技术可有效控制结构的震时塑性损伤[4]。常见的抗震减震技术包括：①钢筋混凝土框架加装减震支撑。②液体粘滞器[5]。③摆锤减震器。④弹簧隔震系统。

这些技术可以在不同程度上提高超高层建筑结构的抗震性能，降低地震灾害的风险。例如，在不同抗震减震技术的辅助下，本文对样本2 进行了再次实验，并获得了相关数据变化结果，如表4 所示。

表4 在不同抗震减震技术的辅助下超高层建筑抗震性能数据变化

从实验数据可以看出，抗震减震技术能够有效地提高超高层建筑结构的抗震性能，并且不同技术之间的效果存在一定差异。在具体应用时，需要根据结构特点、地震参数等多个因素进行综合考虑。

4 研究建议

4.1 针对研究问题的解决方案

基于本研究的分析结果，本文提出以下针对超高层建筑结构抗震性能的解决方案。

（1）采用框架-剪力墙混合结构。在超高层建筑的结构设计中，可以优先考虑采用框架-剪力墙混合结构。这种结构体系具有较好的韧性和延性，可以在地震作用下有效减小结构变形和损伤。

（2）应用抗震减震技术。在超高层建筑设计中，可以采用不同类型的抗震减震技术，如钢筋混凝土框架加装减震支撑、液体减震器、摆锤减震器和弹簧隔震系统等，来提高结构的抗震能力。这些技术可以在不同程度上降低结构的震动响应，保障超高层建筑的安全性。

（3）加强维护和管理。超高层建筑作为一个复杂的工程系统，必须进行全面的维护和管理，以确保其长期的安全和可靠性。需要建立完善的维护和管理机制，定期对结构进行检测和维修，及时发现并处理隐患和缺陷，保证超高层建筑的安全性和使用寿命。

4.2 超高层建筑结构抗震性能提高的发展趋势

随着科技的不断进步和人们对于安全性的不断追求，超高层建筑结构抗震性能提高的发展趋势将越来越明显。以下是一些可能出现的趋势。

（1）结构优化。设计师将更加注重结构的优化，特别是对于超高层建筑来说，将注重结构的抗震性能、减震能力、耗能能力等方面的优化，以适应各种地震和风灾情况的挑战[5]。

（2）抗震减震技术的发展。在抗震减震技术方面，液体减震器、摆锤减震器、弹簧隔震系统等新型技术的出现将推动超高层建筑的抗震能力得到进一步提高。

（3）智能化监测与诊断系统。随着物联网和云计算等技术的不断应用，超高层建筑结构的监测和诊断系统将实现智能化、自动化和信息化，这将有助于加强对结构状态的监测和分析，提高维护和管理的精度和效率。

（4）绿色建筑的兴起。随着人们对于环境保护和可持续发展的要求越来越高，绿色建筑将成为超高层建筑的一个重要趋势。在设计超高层建筑时，需要注重能源利用效率和环境适应性，通过合理的设计和材料选择，减少对环境的负面影响。

5 结语

本文通过实验分析得出：采用框架-剪力墙混合结构以及采用多种类型阻尼器对超高层结构抗震性能有显著的提升，同时，需要建立完善的维护和管理机制以延长结构的寿命。另一方面，展望未来，智能化监测与诊断系统以及绿色建筑的崛起对超高层结构抗震性能提高亦有一定的推动作用，在后续发展中应给予一定的重视。