浅析高层结构抗震设计

摘要：随着国家经济建设的发展，社会已经不能满足于多层住宅提供的居住生活环境，越来越多的高层住宅在这种大环境下应运而生了，而在经济社会快速发展的今天许多高层结构在抗震设计上还有许多值得我们注意的问题，值得我们进一步探究。

关键词：高层建筑 抗震设计剪力墙

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

所谓高层建筑，通常是指八层及八层以上的民用建筑。由于其层数多、高度大，在荷载作用下的受力特点、变形状态以及对结构体系和各种服务设施的要求等与低层和多层建筑相比均大为不同，高层结构主要随垂直和水平荷载作用(风荷载及水平地震作用)，随着建筑物高度的增加，这两种荷载对结构产生的效应也随之而变化，水平荷载产生的弯矩和剪力迅速增大，甚至起着控制设计的作用。一幢高层建筑结构的设计是集概念、计算、构造于一体，特别是抗震结构的构造措施和设计概念更胜于计算机程序计算的颇为复杂的过程。以下仅从抗震概念、构造及设计过程中如何解决遇到的问题等方面加以探讨。

高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系；水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看，垂直荷载方向不变，随建筑物的增高仅引起量的增加；而水平荷载可来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，水平荷载是结构设计的控制因素，结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外，同时要求结构要有足够的刚度，使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。高层结构现阶段采取的主要形式有框架-剪力墙结构、纯剪力墙结构、筒体结构等形式。真正建设中较为常见的不超过一百米的高层多采用前两种结构形式。根据实际工程经验表明框架结构在抵抗地震中水平剪力方面效果并不好，所以高层设计中一般采取剪力墙来抵抗大部分或者全部水平剪力，效果较为明显。

在实际地震灾害中，许多高层建筑出现了不同种类的震害表现，让我们对高层抗震有了更深刻的认识。

1．连梁的破坏较为普遍。连梁是指跨高比比较小的高梁，在设计中往往显示为超筋现象比较严重，这主要是因为连梁往往连接的是两片墙体，由于开大洞等原因所以容易造成连梁处的薄弱。由于应力集中所以连梁的端部极为敏感，在约束弯矩作用下，很容易在连梁的端部形成垂直方向的弯曲裂缝，当梁的跨高比比较大时，梁的受力以受弯为主，可能出现弯曲破坏。连梁由于跨高比比较小更容易出现剪切破坏，容易出现斜向的剪切裂缝，当梁的剪力过大或者抗剪钢筋配置不足时，就有可能出现剪切破坏使墙肢间丧失联系，破坏剪力墙结构的整体。

2．高层建筑墙肢破坏。剪力墙的底部墙肢内力最大，容易在墙肢底部出现裂缝及破坏。在水平荷载作用下受拉的墙肢往往受力很小，有的在强地震作用下甚至出现拉力，墙肢底部很容易出现水平裂缝，对于层高较小宽度较大的墙肢，也容易出现剪切斜裂缝。

3．框架-剪力墙结构容易出现柱头和节点破坏。框架体系中一般在地震时柱子的破坏容易比梁的破坏严重，而柱子的破坏大多集中在柱顶，特别是边柱和角柱的破坏尤其明显。普通柱一般在柱端发生弯曲破坏，容易造成混凝土压酥或者钢筋外露等严重破坏，剪跨比比较小的短柱容易发生剪切型的脆性破坏。

4．防震缝的破坏。高层建筑往往自震周期较长，位移较大，在遇到超长等情况须加设防震缝时需注意防震缝的设置宽度，避免防震缝两侧楼梯产生碰撞对结构的破坏。

5．填充墙的破坏。在框架-剪力墙或者剪力墙结构中都会有一些填充墙的存在，这些填充墙对结构抗震有一定的补充作用，但是在实际地震中这些填充墙的破坏也是很明显的，比较常见的是剪切破坏等形式。

针对以上高层建筑在地震中常见的破坏我们在设计中应采取以下一些措施来减少或避免上述情况的发生：

1强墙肢，弱连梁。这样可以实现在地震时连梁先破坏，使塑性变形和耗能分散于连梁中，到保护墙体和整体结构的目的。在实际设计过程中我们将连梁刚度降低，最多可以降低50%的刚度，这样可以达到弱连梁的目的。

2．强剪弱弯。这是抗震设计中的基本原则，可以有效地实现避免脆性破坏。工程设计中，采用剪力增大系数调整墙肢底部的加强部位截面的剪力设计值和连梁梁端截面的剪力计算值，使墙肢和连梁实现强剪弱弯。

3．限制剪压比。墙肢、连梁截面的剪压比超过一定值时，将过早出现斜裂缝，造成斜压破坏。为了比卖弄这种破坏，应限制墙肢和连梁截面的平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比值，也就是限制剪压比。

4．限制墙肢轴压比。过大的轴压比容易影响墙肢的延性，不能有利地抵消地震力，过大的轴压比容易使墙肢底部屈服，出现塑性铰。

5．严格执行抗震构造措施。应严格设置填充墙拉筋，构造柱的措施，慎重设置抗震缝。

以上讨论了高层结构主要的震害形式及防治办法，高层建筑严格上说就是一个竖向悬臂构件，所以建筑本身的结构布置是否合理在很大程度上决定了建筑的抗震特性，高层的结构布置应考虑一下几点：

1.应满足建筑功能要求，做到经济合理，便于施工。建筑物的开间、进深、层高、层数等平面关系和体型除满足使用要求外，还应尽量减少类型，尽可能统一柱网布置和层高，重复使用标准层。 2.高层建筑控制位移是主要矛盾，除应从平面体型和立面变化等方面考虑提高结构的总体刚度以减少结构的位移。在结构布置时，应加强结构的整体性及刚度，加强构件的连接，使结构各部分以最有效的方式共同作用；加强基础的整体性，以减少由于基础平移或扭转对结构的侧移影响，同时应注意加强结构的薄弱部位和应力复杂部位的强度。此外增强结构整体宽度也可减少侧向位移，在其它条件不变时，变形与宽度的三次方成正比。因此宜对建筑物的高宽比加以限制，体型扁而重的建筑是不合适的，宜采用刚度较大的平面形状，如方形、接近方形的矩形、圆形、Y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑体型多样化和结构的要求有机地结合起来，又可形成侧向稳定的体系。 3.在地震区为了减少地震作用对建筑结构的整体和局部的不利影响，如扭转和应力集中效应，建筑平面形状宜规正，避免过大的外伸或内收，沿高度的层间刚度和层间屈服强度的分部要均匀，主要抗侧力竖向构件，其截面尺寸、砼强度等级和配筋量的改变不宜集中在同一楼层内，应纠正“增加构件强度总是有利无害”的非抗震设计概念，在设计和施工中不宜盲目改变砼强度等级和钢筋等级以及配筋量。简单地说就是使结构各部分刚度对称均匀，各结构单元的平面形状应力求简单规则,立面体型应避免伸出和收进,避免结构垂直方向刚度突变等。平面的长宽比不宜过大，以避免两端相距太远，振动不同步，应使荷载合力作用线通过结构刚度中心，以减少扭转的影响。尤其是布置楼电梯间时不宜设在平面凹角部位或端部角区，它对结构刚度的对称性有显著的影响。

只有做到从结构形式到结构细节都能从以上的角度认真考虑并严格执行，才能做出合理的高层建筑作品。

参考文献：

黄世敏 杨沈等 《建筑震害与设计对策》

GB50011-2010《建筑抗震设计规范》

JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》