刍议抗震设计在高层建筑中的应用

摘要：由于我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防成为工程设计面临的迫切任务，如何做好在高层建筑的抗震设计不仅关乎着高层建筑的寿命，还关乎着人们的生命财产安全。本文作者结合自己多年来的经验对抗震设计在高层建筑的应用进行了一番探究。

关键词：抗震设计；高层建筑；应用

Abstract: As China is earthquake-prone areas, high-rise building design has become an urgent task facing the engineering design, how to do a good job in the seismic design of tall building is not only related to the life of high-rise buildings, but also related to the safety of people's life and property. In this paper, the author based on his years of experience in the application of seismic design of high-rise building is a probe.

Key words: seismic design; high-rise building; application

中图分类号：TU2

引言：带有错层的高层建筑的错层结构空间变化丰富、层次感较强，极大地满足了人们的心理要求，同时为结构的发展提出了新的课题。诸如其受力复杂、不确定因素较多、地震的特点要求等也带来了设计施工难度较大、结构抗震性能较差等诸多问题，这也成为阻碍高层建筑错层结构发展的主要因素。因此，要加大对带错层的高层建筑结构的深入研究、提高结构整体性能、有效改善错层结构的抗震性能。这对进一步推动错层结构的发展有着十分重要的意义。

一、抗震设计的概念

抗震设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造，是结构工程师运用“概念”进行分析，做出判断，并采取的相应措施，是工程结构设计人员从宏观上、总体上和原则上去决策和确定高层结构设计中的一些最基本、最关键的问题。

二、高层建筑结构抗震设计分析方法

当地震发生时，地面上原来静止的结构物因地面运动而发生强迫振动。高层建筑地震破坏作用力不是直接作用在建筑结构体上的荷载，而是地震引起的地面运动导致建筑结构体在惯性力作用下的破坏。对高层建筑结构进行抗震设计分析时，应结合建筑结构体的抗震性能和地震作用的基本规律，尽量采用简化的模型和计算方法进行系统的研究。目前，高层建筑抗震设计的分析方法主要包括以下三种。

1.底部剪力法

底部剪力法是针对规则的建筑结构体水平方向地震作用效果进行分析的简化方法。底部剪力法是按照弹性地震反应谱理论来进行抗震分析的，即建筑结构底部在地震过程中所承受的总地震剪力与等效单质点水平地震作用力相等。所以可以利用等效单质点分析模型对建筑钢结构体抗震性能进行分析，确定整个建筑抗震结构体的总水平、地震作用力及其沿建筑高度的分布和变化性。利用底部剪力法将各层的重力荷载代表值集中于该层楼盖处，并在简化计算时，楼盖处每个主轴方向可以仅考虑一个自由度进行抗震计算。

2.振型分解反应谱法

振塑分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定。要采用结构动力学方法分析才能得到。目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。

3.时程分析法

采用简化计算模型和方法，不能有效保证建筑及结构抗震承载力和变形安全度，不能作为建筑结构抗震设计的决策性数据。时程分析法是以建筑结构地震反应性能为基础，是根据建筑物结构实际特性形成完善的弹性或弹塑性振动分析系统，通过直接输入建筑物地面地震加速度数值，结合地震波运动方程的直接积分性能，获得建筑结构抗震体系中各质点的位移、速度、加速度以及抗震结构体的地震剪力时程变化曲线，获得完善可靠的建筑结构抗震性能数据信息，以及设计出完善的抗震设计方案。

三、高层建筑抗震设计要点

1.结构要有规则性

高层建筑物设计要符合抗震概念设计要求，对建筑进行合理的布置。平立面简单且对称的结构类型建筑物因为容易估计其地震反映，易于采取相应的抗震构造措施并且进行细部处理，所以在地震时具有较好的抗震性能。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的要求。要求建筑物平面对称均匀，质量沿建筑物竖向变化均匀，同时应保证建筑物的扭转刚度能够减小结构的扭转影响，满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构的不利影响。

2.限制层间位移

高层建筑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(1／2O0—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。高层建筑结构应根据建筑物的实际情况以及所处的地理位置进行设计，满足其具有足够的刚度，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。

3.控制地震扭转效应

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。建筑物在扭转作用下各片抗侧力结构的层间变形不同，距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大；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，使各层结构的偏心距和扭矩发生改变。所以在设计过程中要对各层的扭转修正系数分别计算，而计算时主要控制周期比、位移比两个重要指标，当这两个控制参数的计算结果不能满足要求时要对其进行调整。

4.选择良好的建设场地

如果说高层建筑结构具有良好抗震性能，那么它的变形能力要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，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，选择坚硬的良好的场地土来建造高层建筑等方法来减小地震能量的输入。

5.尽量减轻结构自重

在同样的地基条件下，若减轻结构自重则可相应增加建筑的层数或减少地基处理造价。因为地震效应与建筑质量成正相关，而高层建筑的重心高，在地震发生时其倾覆力矩也跟着增加。所以，为了减小其倾覆力矩，高层建筑物的填充墙及隔墙应采用轻质材料以尽量减轻结构自重。

四、结束语

综上所述，高层建筑结构抗震设计的分析方法主要有底部剪力法、反应谱法、时程分析法。高层建筑抗震设计的要点主要有结构要有规则性、限制层间位移、控制地震扭转效应、选择良好的建设场地、尽量减轻结构自重。

参考文献

[1]钱进军，试论高层建筑抗震设计中的若干问题探讨[J]，城市建设理论研究（电子版），2011（32）

[2]李康富，浅析高层建筑的抗震设计[J]，大观周刊，2011（27）