论高层建筑的抗震设计及减灾方法

摘要：地质作用是非常复杂的，要想建筑物在强烈的地震作用下不发生破坏是很不实际的。我们所说的抗震设计，是指建筑物在强烈的地震作用下，即使破坏很严重，也不会倒塌，这就要求建筑物有足够的弹塑性变形来抵抗地震能量，因此提高建筑结构的弹塑性变形能力，在强烈地震中不倒塌是抗震设计中要达到的目标。文章分析了影响高层建筑结构抗震能力的主要因素，提出了高层建筑结构抗震的具体设计方法。

关键词：高层建筑；抗震；结构

中图分类号：TU972+4 文献标识码：A

1概述

从上个世纪70年代以来，结构设计工程师通过多年的地震灾害实践经验总结中明白，宏观的“概念设计”对与工程结构抗震来说比“数值设计”来的更重要些。所谓的概念设计就是从结构总体方案设计的时候就运用人们在工程实践中总结的正确的建筑结构抗震知识处理结构设计中遇到问题，以宏观的原则评价、鉴别为基础，做出必要的计算和构造措施，消除建筑物抗震的薄弱环节，从而达到合理的抗震设计的目的。因此，这就要求结构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，突出主要矛盾，用正确的概念设计，才能达到抗震减灾的目的。

2 地震灾害多发点

2.1 结构层屈服强度比较薄弱的楼层

由于很多高层建筑在结构设计上存在很大的不均匀性，一旦遇到比较大的能量冲击，屈服强度比较薄弱的结构层就会被屈服，造成弹塑性变形急剧发生，导致弹塑性变形大面积扩展的现象。比如，1976年的唐山大地震中，由于13层的蒸吸塔框架中第6层和第11层屈服强度较弱，导致该蒸吸塔6层以上全部倒塌。

2.2 柱端和节点处

高层建筑结构中一般是梁轻柱重，柱子的顶部重于（终于）柱子的底部，特别是角柱和边柱更容易受到地震破坏。柱子容易受到弯曲破坏，轻则发生水平或斜向断裂，重则混凝土被压垮塌，导致里面钢筋崩脱。当柱子的一侧有强度较高的砌体填充墙嵌砌时，柱顶受剪切力破坏严重，甚至会转移到窗口上下处，以及出现短柱受剪切力的破坏。

2.3 砌体填充墙

砌体填充墙虽然刚度很大，但其变形能力很差，在强烈的地震S形冲击波的破坏下会遭受严重的破坏。

3 影响高层建筑结构抗震能力的主要因素

3.1 高层建筑结构所用的材料及施工质量

众所周知，建筑结构的施工材料质量越差，地震对建筑所造成的破坏越大，但是这个问题往往被人们所忽视。在建筑物的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙等构件中，假如能广泛使用多孔砖、硅酸盐砌块、陶粒混凝土、加气混凝土板、空心塑料板材等轻质材料，将会显著改善建筑物的抗震性能。因此，在整体施工过程中，一定要对施工的每个环节都加以重视，任何一个环节出现纰漏，都有可能影响建筑结构本身的抗震能力。

3.2 高层建筑结构本身结构设计问题

一栋建筑物假如平面布置复杂，导致质心和刚心不在同一点，就很容易在地震作用下产生扭转弯曲，加剧了地震的破坏力。例如，台湾的9・21地震中，一栋高层建筑由于结构平面不规则，在水平的地震作用下，产生扭曲效应，导致建筑坍塌。对于结构平面布置不规则的建筑，我们应注意偏离结构刚心远端的抗震墙和框架柱的承载力计算。对于建筑的立面，要避免头重脚轻，尽量将结构的重心降到最低。

3.3 建筑场地

建筑选择工程地址时，一定要进行详细的地质勘探，熟悉地形地质情况，挑选对建筑抗震有利的地形。由于地震时地面的强烈运动会导致建筑在振动过程中，丧失整体性和稳定性而遭到破坏，甚至会造成水坝倒塌、海啸、火灾等次生灾害的发生。断层错动、山崖崩塌、河岸滑坡地层陷落等地面严重变形造成的灾害可以通过工程措施加以防治，而很多灾害单靠工程措施是很难达到预防目的，而且会让人们付出惨痛的代价。因此，要尽可能避免对建筑抗震不利的场地，不管是什么情况，都不能在抗震不利场地中建造对人员伤亡和造成巨大经济损失的建筑物。

4 高层建筑结构抗震的具体设计

4.1 重视建筑结构的规则性

在高层建筑结构设计中，结构的均匀性主要体现在以下几个方面：一是，由于实际的高层建筑结构都是三维立体的，而实际的地震作用和风荷载都是比较复杂多变的，具有多向性，所以高层建筑中主体抗侧力结构的两个主轴方向的刚度和变形特性都要相似，才能使得高层建筑的两个主轴方向受力比较均匀，这样才能具有良好的抗震力和抗风性。二是，高层建筑主体抗侧力结构在竖向断面、构成变化上比较均匀，不能由于某种情况产生突变。特别是主体结构的层剪切刚度不能发生突变，因为均匀的高层建筑结构能够避免由于建筑薄弱层破坏而导致整个建筑物遭到破坏。三是，高层建筑主体抗侧力结构应注意同一主轴方向上的各个抗侧力结构刚度均匀，避免在主体结构布置中设置一些刚度特别大而延性较差的结构，比如长窄的实体剪力墙，虽然长窄的实体剪力墙在结构上能满足对称性和刚度的要求，但其个别结构刚度很大，在地震作用下，会吸收很大的能量，导致应力集中，首先遭到破坏，从而会导致整体建筑结构的破坏。而同一主轴方向上的抗侧力结构刚度均匀就会在水平荷载作用下应力分布均匀，这样有利于结构抗震延性的实现。

4.2 建筑结构体系的合理选择

高层建筑结构体系选择是结构设计考虑的关键，结构方案是否合理，对安全性和经济性起决定性的作用。结构体系需要有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，如建筑物梁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；尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平接近均匀，避免竖向构件之间形成二次压应力的转移；布置转换结构时，尽量使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层不超过2次转换，传递到下部结构的竖向构件上去；由于抗侧力结构一般有框架、剪力墙、筒体、支撑等组成，为了使它们贯通连续，在整体抗侧力结构上必须体系明确，传力直接，若它们沿竖向有变动，变化也要缓慢均匀，不能产生突变。结构体系需要多道抗震防线，框架-剪力墙结构就是具有良好性能的多道防线的抗震结构。剪力墙既是主要抗侧力构件，又能充当第一道抗震防线。所以想结构体系中有相当数量的剪力墙，使得它的结构底部地震倾覆力矩不小于底部总地震倾覆力矩的50%。同时，剪力墙可以通过合理设置连梁，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。为了能够承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任何一层框架和墙协同作用分配的地震剪力，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倍之两者的较小值。

主体抗侧力结构的刚度选择合理是高层建筑结构设计中重要指标之一。首先，主体抗侧力结构的刚度须满足规范上规定的水平位移、整体稳定、强度延性等要求。但在多年工程设计的经验中总结出，高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，由于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，高层建筑的主体抗侧力结构刚度满足规范值即可；而主体抗侧力结构刚度过大，也会造成结构的基本自振周期短，随着地震作用的加大，结构承受的水平力和倾覆弯矩也加大，地基基础的负担也加大，导致结构的截面和相应的构造配筋增加，大大降低了其经济效率。

5 减轻地震灾害的措施

5.1 对旧有建筑进行加固

由于我国部分地区发展相对滞后，还存留了很多70年代前后的建筑物，这些建筑物在建造时大多数都没有或者很少考虑到抗震问题，以至于现在很多建筑都存在基础沉降、墙体裂缝、倾斜、面层剥落等现象和隐患。为了确保人民生命财产的安全，同时又能充分利用旧房资源，我们对不符合抗震要求的建筑进行加固，对部分建筑进行修缮，达到满足抗震的目的。消能减震技术在抗震加固中具有独特的优点，它摆脱了常规加固中以构件承载力为主的加固模式，而是通过减小建筑物上地震作用的途径，使结构和构件满足抗震要求。这对地震频繁，人口众多的我国来说，对工程结构抗震具有大的意义。

5.2 研究开发更为合理的结构形式

随着科学技术的不断进步，高层建筑结构逐渐向自重轻、跨度大、功能多样、施工周期短的方向发展。因此，质量轻强度高的新型建筑材料的研制和更为合理的建筑结构形式的研发成为各种新型结构体系发展的必然趋势。例如，开合屋盖结构，是一种在短时间内部分和全部屋盖可以移动或开合，其结构是将一个完整的屋盖结构划分为几个可移动的单元，可移动单元能够按照一定轨迹移动达到开启和闭合的作用。

5.3 建材及建筑结构体系的合理选择

对于我国这个地震多发的地区，高层建筑施工材料的质量和结构体系的合理选择应该受到人们的高度重视。我国高层建筑中主要的结构体系为框架、剪力墙、筒体等几种体系，而在国外的多发地震区，结构体系是以钢结构为主，这应该是我国地震多发区值得借鉴的地方。

在地震多发地区，要注意结构体系及材料的优选。我国钢材产量居世界前列，建筑钢材的类型和品种也随之增多，钢结构的加工制造能力也随之提高，所以我们要尽可能采用型钢混凝土（SRC）钢管混凝土结构（CFS）或钢结构（S或SS），以减小柱子断面尺寸。由于钢结构质量较轻，利用钢管混凝土承重，柱子自重能够减轻65%左右，而柱截面减小能够增加建筑空间的使用面积，在工程造价上钢管混凝土与钢筋混凝土相比，可降低15%左右。因此，在高层建筑结构中，建议优先考虑使用钢管混凝土结构。