试论高层建筑结构抗震设计分析及优化设计

摘要：2008年汶川地震震惊了世界，这场巨大灾难引发的严重伤亡和财产损失，使得高层建筑结构抗震成为 关注的焦点。我国新的建筑抗震设计规范(G850011-2001)(以下简称《抗震设计规范》)继续采用(GBJ一89)规范确定的“三水准设防目标，两阶段设计步骤”的抗震设计思想，并作了许多重要补充和完善。将新的建筑抗震设计规范中有关条款的要求作为约束条件引入构件优化设计。使结构优化设计更加贴近工程实际。

关键词:高层建筑结构;抗震设计;问题分析;优化设计

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

1 高层建筑抗震设计的必要性

自上世纪世纪70年代以来，从唐山地震到汶川地震及玉树地震的发生，结构工程师在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到宏观的“概念设计”比以往的“数值设计”对工程结构抗震来说，更为重要，因此，人们对于概念设计愈来愈重视。抗震概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等问题，从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。概念设计要求下程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基奉问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。

2 我国高层建筑抗震设计中的一些问题

2．1 高度问题

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3―2002)规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施下技术水平下。较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验。在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

2．2 材料的选用和结构体系问题

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的何种主要结构体系(框一筒、筒中筒和框架一支撑体系)，都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，弗改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振需要采用混凝土材料，钢骨(钢管)混凝土，通常作为首选。

2．3 抗震设防烈度较低

许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”，并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内 (50a)超越概率为10％的地震烈度。我围建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计。

3我国高层建筑结构抗震的具体设计

3．1 高层建筑结构抗震设计应重视建筑结构的规则性

在高层建筑中，结构的均匀性主要体现在以下几个方面：

(1)高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要比较接近、变形特性要比较相近。这是因为实际的高层建筑结构都是三维的，实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性，高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就能具有比较良好的抗震、抗风性。

(2)高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀，不要突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变，这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。

(3)高层建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀，应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。此时，即使结构仍满足对称性和刚度的要求，但由于个别结构刚度巨大，地震发生时，将首先吸收极大的能量，应力特别集中，容易首先招致破坏，从而引起整体结构的破坏。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀，水平荷载作用下应力分布将比较均匀，有利于结构抗震延性的实现。

3．2合理的建筑结构体系选择

高层建筑结构体系选择是结构设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定的作用。

3．2．1结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径

①高层建筑楼屋盖梁系的布置，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去。②竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择。③)转换结构的布置，应尽量做到使卜部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层1次至多2次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去。④整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。抗侧力结构一般由框架、剪力墙、简体、支撑等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。

3．2．2结构体系宜有多道抗震防线

框架一剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件，又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50％。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20％和框架各层地震剪力最大值的1．5倍两者的较小值。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁(包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。连梁的刚度、承载力和变形能力应与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化。一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁。

3．2．3结构体系宜具有合理的刚度

高层建筑结构设计的重要指标之一是主体抗侧力结构的刚度合理。首先，主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作，这是高层建筑主体抗侧力结构刚度的下限值，必须满足。但是，总结工程设计经验，高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理，这是因为：①合理的高层建筑主体抗侧力结构刚度以满足和略大于规范限值即可，结构的延性和安全储备主要依靠合理的结构构造和精心的设计。②主体抗侧力结构刚度过大，结构的基本自振周期较短，地震作用加大，结构承受的水平力、倾覆弯矩加大，地基基础的负担加大，此时结构的截面和相应的构造配筋增加较大，不经济。

4抗侧力结构和构件的延性设计

为提高结构和构件的延性水平，避免脆性破坏，应注意以下几点：

(1)钢筋混凝士框架结构应设置为“强柱弱梁”。

(2)剪压比限制。现行的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式，是基于斜截面上箍筋基本能达到抗拉屈服强度，其受剪承载力随配箍特征值的增长呈线性关系。试验表明，配箍特征值过大时箍筋不能充分发挥其强度，构件将呈腹部混凝土斜压破坏；同时剪压比对构件变形性能也有显著影响，因此限制剪压比，实质上也是对构件最小截面的要求。

(3)钢筋混凝土框架的梁、柱应避免剪切破坏，即形成“强剪弱弯”。

(4)轴压比限制。轴压比是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土边缘失达到其极限压应变的主要指标。试验研究表明，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不共明显。所以，抗震结构应限制偏心受乐构件的轴压比。

(5)注意其他影响构件延性的因素，如剪跨比、纵向钢筋配筋率、配箍率和箍筋型式、混凝土和钢筋材料、钢筋连接和锚同方式等，均应满足抗震设计规范要求。

参考文献：

【l】赵西安．现代高层建筑结构设计【M】．北京：科学出版社，2000．

【2】徐正忠．建筑抗震设计规范【M】．北京：中国建筑工业出版社，2001．

【3】徐宜和，丁勇春．高层建筑结构抗震分析和设计的探讨【J】．江苏建筑，2008(3)．