高层建筑抗震设计之我见

摘要：本文作者对高层建筑地震设计进行了分析，提出了高层建筑抗震设计要点，供大家参考。

关键词：高层建筑；抗震设计

中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：

地震是一种自然现象，至今尚不能科学地定量、定时、定点预测，其破坏具有多发性、连锁性和严重性等特点。对于一些高层建筑物，目前很多设计已经不再局限于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防标准，对重要结构必要时可以高于上述标准，很多抗震设计思想和方法是在总结国内外工程震害经验的基础上提出来的。

1 高层建筑抗震设计方法

1.1 阻尼器的使用

进入20世纪以来，人们对建筑物抗振动能力的提高做出了巨大的努力，取得了显著的成果。其中尤为重要的是阻尼器在结构抗震减灾中的运用。人们利用阻尼器抗振、减震和吸能的特点，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震对高层建筑的破坏作用。

目前，运用于高层建筑的结构调谐振动控制装置有多种：调谐质量阻尼器（Tuned Mass Dampers,TMD）、调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Dampers，TLD）、质量泵（Mass Pumps ,MP）、摆式质量阻尼器、液体—质量控制器等。其中，调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称TLD）是一种被动耗能减振装置，近年来进行了大量的研究和应用。TLD这一名称为孙利民教授和其导师藤野阳三最先提出，后来在国内外被广泛使用。调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点，可兼作供水水箱使用。

1.2 柔性结构的运用

中国自古有“以柔克刚”的思想，即刚劲的东西不一定要用更刚劲的去征服，有时需要用柔软的事物去克制。在高层建筑抗震当中，即由传统的以“硬抗”为主的抗震体系转变为以“柔抗”为主的结构减震控制体系。建筑采用动力平衡的建筑结构体系防震减震效果会更好，这样可以以柔克刚、刚柔相济，有效的释放地震冲击力。这方面的运用，有很多例子，比如拱结构在高层抗震当中的运用：迪拜帆船酒店，外观如同一张鼓满了风的帆，一共有56层、321m高，就是运用拱结构抗震减灾的很好的例子。又如，在新建建筑物四周一定范围内，沿基础设置消震装置，在建筑物上部设置隔震减震装置。基础部分的消震装置起隔断地震冲击力作用，上部设置的隔震减震装置则将冲击力的传力进一步切断。这就可以从根本上降低地震的破坏力。

1.3 高延性构件的运用

目前，我国的高层建筑很多采用延性结构体系来抗震设防，即适当控制结构的刚度，容许结构构件在地震时进入塑性状态，具有较大的延性，以此消耗地震能量，减小地震反应，减轻地震给高层建筑带来的破坏与损失。如果一座高层建筑物具有较大的延性，即使承载能力较低，它所能吸收的能量也会较大，虽然较早出现损坏，但能经受住较大的变形，避免倒塌；而仅有较高强度而无塑性变形能力的脆性结构，吸收能量的能力弱，一旦遭遇超过设计水平的地震时，很容易因脆性破坏而突然倒塌。所以，延性结构的运用这种体系，在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。

1.4 设置多道抗震防线

高层建筑结构需要设置多道抗震防线。建筑物应设置多道抗震防线，当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续的地震动的冲击，使建筑物免于倒塌。

2 高层建筑抗震设计要点

2.1 结构规则性

建筑物尤其是高层建筑物设计麻符合抗震概念设计要求，对建筑进行合理的布置，大量地震灾害表明，平立面简单且对称的结构类型建筑物在地震时具有较好的抗震性能，因为该种结构建筑容易估计出其地震反映，易于采取相应的抗震构造措施并且进行细部处理。建筑结构的规则性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗侧力构件布置、承载力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面对称均匀，体型简单，结构刚度，质量沿建筑物竖向变化均匀，同时应保证建筑物有足够的扭转刚度以减小结构的扭转影响，并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。

2.2 层间位移限制

高层建筑都具有较大的高宽比，其在风力和地震作用下往往能够产生较大的层间位移，甚至会超过结构的位移限值。而国内普遍认为该位移限值大小与结构材料、结构体系甚至装修标准以及侧向荷载等诸多因素有关，其中钢筋混凝土结构的位移限值(一般在1／400-1／700范围内)则比钢结构(1／200-1／500范围内)要求严格，风荷载作用下的限值比地震作用F的要求严格。因此在进行高层建筑结构设计时应根据建筑物的实际情况以及所处的地理位置进行设计，既要满足其具有足够的刚度又要避免结构在水平荷载的作用下产生过大的位移而影响结构的承载力，稳定性以及正常使用功能等。

2.3 控制地震扭转效应

大量事实表明，当建筑结构的平面布置等不规则、不对称导致建筑层间水平荷载合力中心与建筑结构刚度中心不重合，在地震发生时建筑结构除发生水平位移外还易发生扭转性破坏共至会导致结构整体倒塌，因此在结构设计中应充分重视扭转的影响。由于建筑物在扭转作用下各片抗侧力结构的层间变形不同，其中距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大；同时在上下刚度不均匀变化的结构中，各层的刚度中心未能在同一轴线上，甚至会产生较大差距，以上情况都会使各层结构的偏心距和扭矩发生改变，因此，在设计过程中应对各层的扭转修正系数分别计算。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标，即当两个控制参数的计算结果不能满足要求时则必须对其进行调整。

当周期比不满足要求时可采用加大抗侧力构件截面或增加抗侧力构件数量的方法，并应将抗侧力构件尽町能的均匀布置在建筑四周，以减小刚度中心与质量中心的相对偏心，若调整构件刚度不能满足效果时则应调整抗侧力构件布置，以增大结构抗扭刚度。具体做法为当结构刚度富余量较小可采取均衡加强结构刚度，富余量较大则町采取在加强刚度的同时均衡的消弱结构内部中心抗侧力构件刚度的方法进行处理。当结构位移比不满足要求时则一般采取增加最大位移处构件刚度减小最小处位移构件刚度、在最大位移处局部加剪力墙、增加框架部分侧向刚度和设置防震缝将不规则平面莺新划分为相对规则平面的方法进行处理。

2.4 减小地震能量输入

具有良好抗震性能的高层建筑结构要求结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求，因此在设计过程中除了控制构件的承载力外还应控制结构在地震作用下的层间位移极限值或位移延性比，然后根据构件变形与结构位移的关系来确定构件的变形值，同时根据截面达到的应变大小及分布来确定构件的构造要求，选择坚硬的场地土来建造高层建筑等方法来减小地震能量的输入。

2.5 减轻结构自重

对于同样的地基条件下进行建筑结构设计若减轻结构自重则可相应增加层数或减少地基处理造价，尤其是在软土基础上进行结构设计这一作用更为明显，同时由于地震效应与建筑质量成正比，而高层建筑由于其高度大重心高等特点，在地震作用时其倾覆力矩也随之增加，因此，为了尽量减小其倾覆力矩应对高层建筑物的填充墙及隔墙尽量采用轻质材料以减轻结构自重。

3 结束语

地震是一种突发式的自然灾害现象，从世界各国减轻地震灾害所采取的措施来看，主要有三条：一是加强地震预报，力争在地震发生前采取行动以减少损失；二是在设计和施工方面提高各类建筑物对地震的抵抗能力，包括对已建建筑进行抗震能力鉴定及加固；三是加强地震时应急指挥和救援工作。总之，从各个环节上重视和把关，把地震灾害尽量降到最小、最轻。

参考文献：

[1] 王崇杰，崔艳秋.建筑设计基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 王则毅，杨盛和.房屋结构抗震[M].重庆:重庆大学出版社，2009.

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