浅析高层建筑结构防震设计的研究

【摘要】在我国现行的高层建筑结构抗震设计中应用最为广泛和应用效果最为显著的就是基于性能的高层建筑防震结构设计方法，该方法根据建筑物的重要性和用途，确定预期的性能目标，由不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期功能，从而使建筑物在整个生命期内，在遭遇可能发生的地震作用下，总的损失达到最小。本文从建筑防震的概述入手，分析了高层建筑防震结构设计现状，并分析基于性能的高层建筑防震结构设计要点，提出了高层建筑结构防震设计的措施和方法。

【关键词】高层 结构 抗震 设计

一、前言

我国结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算，到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则，以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用的原则。概率极限状态设计法更科学、更合理，但该法在运算过程中还带有一定程度近似，只能视作近似概率法，并且仅凭极限状态设计也很难估算建筑物的真正承载力。事实上，建筑物是一个空间结构，各种构件以相当复杂的方式共同工作，并非是脱离结构体系的单独构件。

地震具有随机性、不确定性和复杂性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前是很难做到的。而建筑物本身又是一个庞大复杂的系统，在遭受地震作用后其破坏机理和破坏过程十分复杂。且在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在着不确定性。因此，结构工程经验总结的工程抗震基本方法，从概念设计的角度入手，着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节构造，从根本上提高结构的抗震能力。

二、高层建筑防震结构设计现状概述

1、现行高层建筑防震结构设计方法分析

在我国现行的高层建筑结构抗震设计中应用最为广泛和应用效果最为显著的就是基于性能的高层建筑防震结构设计方法，该方法根据建筑物的重要性和用途，确定预期的性能目标，由不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期功能，从而使建筑物在整个生命期内，在遭遇可能发生的地震作用下，总的损失达到最小。其中，基于性能的高层建筑防震结构设计方法具有如下几个方面的特点：

首先，该设计方法可以根据不同的结构、不同设防水平，提出相应的性能目标，由不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，采用一定的建筑材料、施工方法和结构分析手段完成设计，使所设计的建筑物在未来的地震中具备预期的功能。

其次，根据所选用的性能目标，建筑设计人员进行设计可以使高层建筑结构在地震发生时能够实现预期的抗震性能目标。

最后，从性能设计的特点来看，基于性能的抗震设计是一个效果比较理想的方法，利用该方法设计的防震结构将会更经济、合理，且对应于不同的高层建筑结构的防震性能是可预知的。

2、基于性能的高层建筑防震结构设计方法引用实例

某高层建筑结构为8度设防的框架-剪力墙结构，总高93m。底部五层的楼板偏于一侧，无楼板的一侧为穿层型刚混凝土斜柱，斜柱和斜支撑在五层顶板形成较大的拉力和压力。针对上述特点，其性能设计的要求是：五层顶板采用加强措施确保静力和地震下的安全；斜柱采取措施减少长细比，并保证在中震下考虑P-效应的承载力按弹性设计，在大震下的变形可得到控制，约为1/450；增加框架部分承担的地震剪力，取20%的总地震剪力，且每个斜柱承担2%的总地震剪力。

三、基于性能的高层建筑防震结构设计要点分析

基于性能的高层建筑防震结构设计要点主要包括结构计算、防震缝与抗撞墙的设计、结构破坏机制的设计、钢筋混凝土框架的结构体系设计以及框架-剪力墙结构的机构布置设计等，以下将分别给予详细的说明。

1、结构计算

基于性能的高层建筑防震结构设计的结构计算要满足如下要求：一是在弹性计算和非线性计算分析中，对结构整体模型及构件、节点的各种计算参数要力求正确合理；二是对具有水平转换构件的结构，应注意区分不落地柱和墙体的转换梁、框支梁相邻层的计算层数、层高、转换厚板有限元的类型；三是对剪力墙，应注意非线性分析中的计算模型和参数的确定。对采用支座的结构，应采用制作两侧结构相互作用和影响的整体计算模型进行大震下的计算。对平面尺寸凹凸不规则或平面内局部开设大洞口的结构，应注意洞口位置、大小、数量和分布以及抗侧力构件的布置；四是正确选择分片刚性楼盖或整体非刚性楼盖的计算模型，如楼板不能在大震下处于基本弹性状态，则需要研究提出合理的计算模型；五是对采用消能减震的结构，应正确确定构件和整体结构有效阻尼比，注意构件、节点的模拟和计算参数对整体结构的影响；六是结构体系复杂难以准确反映各构件的受力状态时，需至少采用两种不同的力学模型进行计算并予以对比分析，有时，还需要通过相应的模型试验，以确定计算的可信度。

2、防震缝与抗撞墙的设计要求

2.1防震缝的设计要点

当高层建筑平面过长、结构单元的结构体系不同、高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时，应考虑设防震缝。其最小宽度应符合下面要求：一是钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm，超过15m时，6、7、8、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m，宜加宽20mm；二是框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的50%，且不宜小于70mm。

2.2抗撞墙的设计要点

当结构高度、刚度或层高相差较大时，可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙。其中，抗撞墙的设计要点如下：一是每一侧的数量不应少于两道。宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距；二是内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析，按不利情况取值。

3、结构破坏机制的设计要点

3.1框架结构的设计要点

为了充分发挥整个结构的抗震能力，较合理的地震破坏机制应为节点基本不破坏，梁比柱的屈服能早发生、多发生；同一层中，各柱两端屈服历程越长越好；底层柱底的塑性铰宜最晚发生。梁柱端的塑性铰出现得尽可能分散。

3.2框架-抗震墙结构的设计要点

抗震墙的各墙段（包括小开洞墙和联肢墙肢）的高度比不易小于2，使其成弯剪破坏。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。

4、钢筋混凝土框架的结构体系设计要点

首先，钢筋混凝土框架结构宜对称布置；其次，钢筋混凝土框架的梁、柱构件应避免剪切破坏，构件弯曲破坏形成极限剪力应小于构件斜截面的极限剪力；再次，钢筋混凝土框架的梁、柱构件之间应设置成“强柱弱梁”；最后，梁柱节点的承载力宜大于梁、柱构件的承载力。

5、框架-剪力墙结构的结构布置设计要点

5.1抗震墙布置的基本原则。框架-抗震墙结构中的抗震墙宜沿主轴方向双向布置，贯通房屋全高，且横向与纵向抗震墙宜相连，互为翼墙，以提高其刚度和承载能力。

5.2抗震墙的最大间距设计

高层建筑结构抗震墙间距的设计不应过大，对于抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比宜满足下表要求。

5.3抗震墙布置位置的选择。一般情况下，宜布置在竖向荷载较大处，平面形状变化处和楼梯间、电梯间等。房屋较长时，纵向抗震墙不易设置在端开间。

5.4抗震墙布置的设计要点：一是楼（电）梯间、竖井等使楼面开洞的竖向通道，不易设在结构单元端部角区及凹角处；二是纵横向抗震墙成组布置时宜合并布置为L形、T形和口字形；三是合理调整抗震墙的长度。

为了保证抗震墙具有足够的延性，不发生脆性的剪切破坏，每一道抗震墙不应过长，总高度与总长度之比宜大于2。

结束语：

在当前的高层建筑防震结构设计中，基于性能的抗震设计是一种优于其他防震设计方法的新方法。性能设计的首要问题是确定建筑物的性能目标、性能水准和实施性能设计的方法，而对于高层建筑的高度、规则性以及新的结构体系、新的技术的采用并没有笼统的限制，设计者可根据超限高层建筑结构的设防烈度和具体特点，对其性能目标、性能水准进行论证，通过有关的评估得以实现。

参考文献：

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