影响高层建筑结构抗震性能的相关因素

摘要：高层建筑是社会生产的发展和人类物质生活需要的产物，是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。科学技术的进步、经济的发展则为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础。

关键字：竖向荷载受力特点抗震设计

前言

建筑物抗震设计包括三部分内容,即概念设计、构造设计和结构计算。众所周知,地震是一种复杂的自然现象,我们对建筑物的地震破坏机理还不十分清楚,对地震的破坏现象也只是停留在感性认识阶段,建筑物抗震计算的原理只是一种近似方法。所以,我们在进行建筑物抗震设计时,一定要遵循抗震设计原则和抗震设计构造要求进行设计。我国的高层建筑在十余年里可谓突飞猛进，其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。所以，加强对高层建筑结构抗震措施上的研究更显迫切。

一、高层建筑结构作用效应的特点

1.高层建筑结构的受力特点

建筑结构所受的外力主要来自垂直方向和水平方向。在低、多层建筑中，由于结构高度低、平面尺寸较大，其高宽比很小，而结构的风荷载和地震作用也很小，故结构以抵抗竖向荷载为主。也就是说，竖向荷载往往是结构设计的主要控制因素，而高层建筑结构的这种受力特点随着高度的增大而逐渐发生变化。

1.1在高层建筑中竖向荷载作用下竖向构件的轴力和建筑结构的层数成正比

竖向构件基本上与其受荷面积成正比，就是说，由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大，建筑物层数越多，竖向构件轴力也越大。

1.2在水平荷载作用结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。

作为整体受力分析，将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁，其底部产生的倾复弯矩为：Mmax=qH2/2（均布水平荷载），Mmax=qH2/3（倒三角形水平荷载）。可见，结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比，建筑结构的高度越大，由水平荷载作用对结构产生的弯矩就更大，较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加更快，其产生的结构内力占总结构内力的比重越大，从而成为结构强度设计的主要控制因素。

2. 高层建筑结构的变形特点

水平荷载作用下，高层建筑结构最大的顶点位移为：

均布水平荷载max=qH4/8EI

倒三角形水平荷载max= 11qH4/120EI

从以上可看出,结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快，这就说明，高层建筑结构对结构的水平侧移是相当敏感的。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。结构应具备较大的抗侧刚度，而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。

3.高层建筑结构的重力二阶效应

高层建筑结构在水平荷载作用下将产生侧移，由于侧移而引起竖向荷载的偏心又使结构产生附加内力，这个附加内力反过来又使结构的侧移进一步加大。对非对称结构，平移与扭转耦联，当结构产生扭转时，竖向荷载的合力和抗侧力构件的形心将产生偏心也会产生附加内力。这种由于竖向荷载作用下所产生的内力和侧移增大的现象称之为重力二阶效应。

二、控制结构安全的主要相关因素。

由于地震是一种瞬时作用，但作用所产生的效应非常强烈，故结构的过大变形是不可避免的，这就要求结构有较好的延性，能在强烈地震作用下结构虽产生较大变形而不破坏。安全的结构体系是层层设防的，灾难来临，所有抵抗外力的结构都在通力合作，前仆后继。这时候，如果把“生存”的希望全部寄托在某个单一的构件上，是非常非常危险的。多肢墙比单片墙好，框架剪力墙比纯框架好等等，就是体现了多道防线的设计思路。也许我们会自信计算的正确性，但更要牢记绝对安全的构件是不存在的，当第一道防线垮了，第二道防线能顶住吗？或者能顶住多少？还有没有第三、第四道防线？

结构应具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。对结构整体刚度的控制，规范上体现在对结构位移比，位移角，周期比的限制。位移比控制是层扭转刚度控制;位移角控制是整体平动刚度控制;周期比控制是整体扭转刚度的控制。对此，《建筑抗震设计规范》上有着明确的要求。

有利于提高高层建筑结构抗震性能的结构布置原则包括：

1.结构平面布置宜简单，规则和对称，结构的刚度分布力求均匀，尽可能使结构的抗侧刚度中心位于水平荷载的作用线上，以消除扭转。当结构平面不对称时，可通过调整抗侧力结构的布置尽量实现抗侧刚度中心和结构平面型心的重合或接近。

2.严格控制建筑平面的长宽比，平面不宜窄长，突出部分不宜过大，避免过大的外挑和内收。平面窄长的建筑在水平地震作用下，建筑物的两端可产生有相位差的振动，引起震害。

3.避免在建筑物的两端或角部设置电梯间或楼梯间，以避免削弱这些受力集中或易产生扭转变形部位的楼板刚度。

4.选用合理的楼盖形式，结构的抗侧力构件通过楼盖结构连接为空间整体，水平力的传递和分配也是通过楼盖进行，因此要求楼盖在平面内要有足够的刚度。高层建筑结构宜采用现浇楼盖，对高层钢结构宜采用压型钢板-现浇钢筋混凝土组合楼板或现浇混凝土楼板。

5.采用规则的竖向体型，结构沿竖向的刚度因均匀和连续，尽量避免刚度突变或结构不连续，竖向构件如框架柱或剪力墙等要尽量由底部至顶部连续贯通，钢框架部分采用支撑时，支撑也宜连续布置。

6.当高层建筑平面复杂，不对称或房屋各部分刚度，高度和质量相差悬殊时，可设置防震缝，将平面和体型复杂的高层建筑分成若干个比较规则，整齐和均匀的独立结构单元。

工程实例：

某办公大楼：

地下2层停车库，地上共12层，1-5层为裙楼，大型商业用途，2-4层根据内中庭需要抽空较多楼板，7-12层为办公楼，结构总高度57m，平面大致规则。由于本工程服务对象的特殊性，建筑设计要求在空间和结构布局上尽可能为今后使用创造良好的室内环境和空间效果，框架柱网尺寸以8.1m×8.1m、8.1m×10.80m为主，工程抗震类别为丙类，设防烈度为7度。

初步设计在上部结构选型进行了两种不同结构方案的技术经济比较，方案一为钢框架结构体系，为提高抗震性能和整体刚度，在结构四角增设部分支撑，采用压型钢板-现浇钢筋混凝土楼板结构形式。方案二则为钢骨混凝土框架-剪力墙结构，楼盖体系为有粘结预应力宽扁梁板体系。

方案二采用钢骨混凝土结构虽然可行，但为了满足建筑使用功能的要求剪力墙布置不对称，导致建筑刚度偏心过大，结构在地震作用下会产生扭转，对结构抗震不利；另外在梁柱交接处梁筋布置困难，施加预应力筋须在钢骨上开孔，造成节点施工难度大，质量难以保证。

与混凝土相比，钢材的抗拉、抗压、抗剪强度和延性都很高，不仅能减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性材料，使钢结构具有抵抗强烈地震的变形能力。另外钢结构的结构自重较低，使地震对结构所产生的地震作用大为减小，从而使结构获得了良好的抗震性能，同时由于基底反力较低，使基础造价也降低了。通过比较，钢框架结构方案为最终结构方案。

某大型商用大楼：

地下1层停车库，结构总高度33m，平面布置一部分为大型商场，一部分用于小型商业店铺，首层均为6m，商场共7层，2层以上层高4.5m，小型商业店铺共8层，2-4层层高4m，5层为设备层，层高3m，6-8层层高4m。工程抗震类别为丙类，设防烈度为7度。

该结构平面不规整，且有较大错层，各部分结构刚度相差悬殊。经商议，最终决定设置防震缝，将地上部分分成3个较规则独立单元，无错层。两结构楼面标高不同时采用钢梯弱连接，有效地提高了结构的抗震性能。

三、我国现行规范中规定的主要限定标准

1. 结构设计的基本规定

建筑结构不规则类型：

不规则类型 定 义

扭转不规则 楼层的最大弹性水平位移大于该层最大与最小位移平均值的1.2倍

凹凸不规则 平面凹进尺寸大于相应边长30%

楼板不连续 有效楼板宽度小于楼面宽度50%，或开洞面积大于30%，或较大的错层，

扣除开洞后，楼板任一方向宽度小于5m

侧向刚度不规则 侧向刚度小于相邻上一层的70%或小于上相邻三层侧向刚度平均值的80%

竖向构件不连续 墙、柱、支撑不连续

承载力突变 受剪承载力小于相邻上一层的80%

不规则情况 控制标准 计算考虑因素

质量与刚度分布明显不对称、不均匀 前三个振型中任一振型的扭转方向因子在0.35～0.65之间 应计算双向水平地震下的扭转影响

扭转不规则 不考虑偶然偏心时位移比>1.2 考虑平扭耦连影响

质量竖向分布特别不均匀 相邻层单位面积的质量平均分布密度比>1.5 应采用弹性时程分进行多遇地震补充计算

大跨度结构 7、8、9度楼盖跨度大于24、16、12m；

7、8、9度悬臀跨度大于6、4、3m结构。 7、8、9度重力荷载代表值分别增大5%、10%、20%

弹性层间位移角限值：

结构布置复杂的钢筋混凝土高层建筑结构类型（应避免采用）：

四、结语

不同的结构体系的受力特点，抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等都各有不同，因而不同的结构体系适用于不同的建筑功能要求及不同的高度。在高层建筑结构设计中，分析水平作用于结构体系的关系，根据建筑物的高度、尺寸、建筑使用功能要求及其他条件，选择经济、合理的结构类型和结构体系，是结构设计的首要问题。

参考文献：

1．《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002），北京：中国建筑工业出版社，2002

2．《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001），北京：中国建筑工业出版社，2001

3．广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2002）补充规定，（DBJ/T-46-2005），中国建筑工业出版社，2005

4．柳炳康主编. 工程结构抗震设计，武汉理工大学出版社，2005.

5．周云主编. 高层建筑结构设计，武汉：武汉理工大学出版社，2006

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。