高层结构抗震延性设计

摘要：随着目前建筑物的层级越来越高，对抗震性的要求也越来越严苛，尤其是汶川、玉树、雅安和近期的鲁甸等地一连串的破坏力大、震级高的地震发生后，人们对于建筑物抗震有了一个较为直观的认识。本文就结合高层建筑的抗震延性设计进行综合阐述。

关键词：高层；结构；抗震；延性；设计

中图分类号：TU2文献标识码： A

1.概述

随着经济发展的不断加速，商业圈里的商务楼楼层是越来越高，住宅小区的民居建筑也紧随其后，动辄百余米的几十层建筑已经屡见不鲜。如果说以前人们对建筑物抗震缺乏直观的认识和理解的话，那么自汶川地震之后，玉树、雅安、鲁甸地震给人们带来的冲击和影响就十分的直接了。因此，对高层建筑的抗震性要求已经是检验目前高层建筑设计合格与否的一个重要环节。

2.高层建筑结构抗震原则

针对抗震要求而言，不同的建筑有不同的抗震具体要求，结构工程师也根据建筑的不同用途进行了相应的抗震性设计，基本上掌握的是“小震无伤、中震可修、大震不倒”的实际应用效果，而且，国家颁布的《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）中对建筑物抗震也提出了具体的强制性要求，一般民用建筑的抗震烈度以6、7、8、9度为主。尤其是针对高层建筑而言，要求高层建筑在遭遇地震时，结构在保持一定承载能力的条件下通过自身的塑性变形来吸收地震带来的冲击能量，进而达到缓冲地震波的效果，提高建筑结构的整体抗震能力。

3.建筑结构抗震延性设计原理

在地震过程中，很多建筑物的建筑结构都处于不稳定状态，而高层建筑由于其高度的问题，建筑结构处于弹塑性状态表现较为明显，而建筑进行结构抗震延性设计后，能在建筑材料、结构达到荷载作用依然能具备一定的变形能力，通过这种变形，降低了结构的整体刚度，使结构在地震作用下的反应减小，然后利用结构的弹塑性变形来吸收和消耗地震能量，从而缓冲地震带来的强冲击力，以确保结构本身不会出现整体坍塌。

4.高层建筑抗震结构设计的基本原则

4.1 结构构件必须具备必要的强度和韧度。

结构构件是结构抗震延性设计的必要组成，这些构件自身必须要保证具备一定的承载力，这样使其具备一定的稳定性，另外，针对地震来临时出现的结构弹塑性状态变化，结构构件也应同时具备一定的韧性或延伸性方面特点，以便能对应一段时期的结构弹塑性或异形变化。

4.2 对结构薄弱环节应采取辅助措施

高层结构完成抗震延性设计之后，对应地震冲击的能力已经加强，但是就实际地震情况而言，一次较大地震之后伴随的余震冲击仍然不少，而且有的余震震级与主震震级几乎相差无几，而抗震延性设计在主震的冲击过后已经使建筑自身处于弹塑性状态了，一旦连续性余震来临的话，对于建筑自身的安全系数将直线下降。所以，必须要针对这一主要的薄弱环节采取相应的措施，确保高层建筑不仅在主震来临时尽量减少冲击，而且也要具备一定的对应余震的能力。

5.高层建筑抗震延性设计中常见问题

5.1 降低抗震标准

这是高层建筑抗震设计中唯一一个人为因素，因为《建筑抗震设防分类标准（GB 50223-95）》中的相关抗震工艺要求，涉及抗震设计的工程投入将是一笔不小的投资，个别建设方要求设计单位从设计环节上进行降低抗震标准的设计，变相的降低建筑成本，但是这样做给建筑结构的抗震性带来了严重的影响，进而给人民群众生命财产安全带来了严重的隐患。

5.2 忽视抗震缝设置

对于高层结构而言，虽然建筑材料是一样的，但是其结构刚度随着建筑高度的变化已经发生了相应的变化，在进行抗震延性设计过程中虽然对这一情况进行了有效的控制，但是由于高层建筑普遍存在着房屋结构不同的特点，而且有的房屋还存在着错层设计，所以按照《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（JGJ 3-91）》中表2.2.3的相关要求，要在建筑相关部位和结构处进行抗震缝设置。

5.3 超设计标准建筑施工

高层结构抗震延性设计，是一项较为严谨的专业性设计，是根据建筑设计规划图来进行操作的，且因为高层建筑受到高度因素的影响，相应层级的抗震设计标准是不同的，但是由于建设方为了增加实际建筑面积和使用面积，任意变更建筑设计图纸，从而导致了有的层级虽然也进行了抗震延性设计，但是跟原有结构并不能成为一体，让这种设计形同虚设一般。

5.4 对建筑物土层结构掌握不准确

在进行抗震设计之前，要对建筑作业面的土层结构进行实地勘验，根据土层实际情况制定地上结构，尤其是高层结构的抗震延性设计标准，这样能有效地让地震波来临时的建筑弹塑性状态与土层特点二者相互融合，所以，在结构设计初期的建筑论证阶段，有必要对建筑一定范围内的土层结构进行地质地貌数据分析，根据分析结果来作为抗震延性设计的重要参考数据。

5.5 有效防止瞬间脆性伤害

高层结构的抗震延性设计主要防御的是地震发生时的瞬间脆性伤害，由于目前建筑物大量的使用了钢筋混凝土结构，尤其是高层建筑中，钢筋和混凝土在建筑底部受到作用力时，在高空的脆性作用是很明显的，再加上地震的瞬间冲击波力量，如果不对高层结构进行抗震延性处理的话，高层建筑在受到地震冲击的时候轻则出现脆性裂痕，重则会瞬间倒塌。而延性设计恰恰是对这种脆性伤害进行了全接触面的缓冲，无论在哪个节点上，脆性伤害力在与具备抗震延性结构接触的时候，被分化了作用力的瞬间伤害力度，从而有效地降低了地震带来的冲击和余震带来的连贯性持续伤害。

6.提高高层建筑抗震延性的措施

要使结构具有延性，就必需保证框架梁柱有足够的延性，而梁柱的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的。因此框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。

6.1“强剪弱弯”

适筋梁或大偏压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展；而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性破坏。所以在进行框架梁、柱设计时，应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力，使构件发生延性较好的弯曲破坏，避免发生延性较差的剪切破坏，而且保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏，这就是“强剪弱弯”的设计原则，它实际上是控制构件的破坏形态。

6.2 梁、柱剪压比限制

当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，设计中应限制剪压比即梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。

6.3 箍筋

震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性铰区，称为箍筋加密区。在塑性铰区配置足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力，提高梁、柱的延性；而且钢箍作为纵向钢筋的侧向支承，阻止纵筋压屈，使纵筋充分发挥抗压强度。所以规范规定，在框架梁端、柱端塑性铰区，箍筋必须加密。

7.结束语

高层建筑的抗震问题是关乎于人民群众生命财产安全的重大问题，专业设计人员在对建筑进行设计的时候必须充分考虑这一点，而施工人员在施工过程中必须严格按照相关工艺标准进行工程施工，这样的高层建筑才是符合抗震要求的合格的民生工程。

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