细谈高层建筑结构设计抗震及特点

摘要：近年来，国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性发展。这一方面为人们提供了良好的生活环境和工作条件，体现了建筑设计的人性化理念；另一方面也使建筑结构受力复杂、抗震性能变差、结构分析和设计方法复杂化。

关键词:高层建筑、抗震、结构设计

中图分类号：TU97 文献标识码： A

1、高层建筑的特点

1．1在相同的建设场地中，建造高层建筑可以获得更多的建筑面积，这样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨的问题。设计精美的高层建筑还可以为城市增加景观，如马来西亚首都的石油大厦和上海的金茂大厦等。但高层建筑太多、太密集也会对城市带来热岛效应，玻璃幕墙过多的高层建筑群还可能造成光污染现象。

1．2在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境，并带来更充足的日照、采光和通风效果。例如在新加坡的新建居住区中，由于建造了高层建筑群，留下了更多地面空间，可以更好地建设城市绿化和人们休闲活动空间。

1．3高层建筑中的竖向交通一般由电梯来完成，这样就会增加建筑物的造价，从建筑防火的角度看，高层筑的防火要求要高于中低层建筑，也会增加高层建筑的工程造价和运行成本。

2 建筑抗震的理论分析

2.1 建筑结构抗震规范

建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结,是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算,结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平,又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有关科学理论的引导,向技术经济合理性的方向发展,但它更要有坚定的工程实践基础,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半点冒险和不实。正是基于这种认识,现代规范中的条文有的被列为强制性条文,有的条文中用了“严禁,不得,不许,不宜”等体现不同程度限制性和“必须,应该,宜于,可以”等体现不同程度灵活性的用词。

2.2 抗震设计的理论

拟静力理论。拟静力理论是20世纪10～40年展起来的一种理论,它在估计地震对结构的作用时,仅假定结构为刚性,地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小相当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)。

反应谱理论。反应谱理论是在20世纪40～60年展起来的,它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解,以及结构动力反应特性的研究为基础,是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。

动力理论。动力理论是20世纪70-80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外,人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解,同时随着强震观测台站的不断增多,各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论,它把地震作为一个时间过程,选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入,建筑物简化为多自由度体系,计算得到每一时刻建筑物的地震作用。

3 高层建筑结构抗震设计

3.1 抗震措施

在对结构的抗震设计中,除要考虑概念设计、结构抗震验算外,历次地震后人们在限制建筑高度,提高结构延性(限制结构类型和结构材料使用)等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前,在抗震设计中,从概念设计,抗震验算及构造措施等三方面入手,在将抗震与消震(结构延性)结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法,直至进一步通过一些结构措施(隔震措施,消能减震措施)来减震,即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且,强柱弱梁,强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。

3.2 高层建筑的抗震设计理念

我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求,“三水准”即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此,

要求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算,要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时,结构屈服进入非弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此,要求结构具有相当的延性能力(变形能力)不发生不可修复的脆性破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而保障了人员的安全。因此,要求建筑具有足够的变形能力,其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。

三个水准烈度的地震作用水平,按三个不同超越概率(或重现期)来区分的:

多遇地震:50年超越概率63.2%,重现期50年;设防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重现期475年;罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重现期1641-2475年,

平均约为2000年。

对建筑抗震的三个水准设防要求,是通过“两阶段”设计来实现的,其方法步骤如下:第一阶段:第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数,先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重力荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角,使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施,保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能,从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段:采用与第三水准相对应的地震动参数,计算出结构(特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角,使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施,从而满足第三水准的防倒塌要求。

4、高层建筑结构体系的特点

随着层数和高度的增加，水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著，包括地震作用和风荷载。高层建筑的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其所采用的结构体系密切相关。不同的结构体系，适用于不同的层数、高度和功能。

4．1框架结构体系。框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在60m以下。

4．2剪力墙结构体系。利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系用于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。

现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；剪力墙结构体系主要缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。

当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。

根据施工方法的不同，可以分为：全部现浇的剪力墙；全部用预制墙板装配而成的剪力墙；内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。

在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。

4．3筒体结构。单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小柱距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现。

五、结语

对于一个高层结构的设计,遇到的问题可能错综复杂,只能具体问题具体分析。工程实践表明在高层结构的设计过程中,设计人员只有抗震概念清晰,构造措施得当,应用合适的结构分析软件三者有机结合才能取得比较理想的结果,在这个过程中抗震构造重于结构计算。

参考文献：

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