浅议高层建筑结构的抗震设计

摘要：高层建筑抗震工作一直建筑设计和施工的重点，概述高层建筑的发展，对建筑抗震进行必要的理论分析，从而来探索高层建筑的设计理念、方法，从而采取必须的抗震措施。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生，笔者认为，首先要正确判定短柱，然后对短柱采取一些构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。

关键字：高层建筑；抗震；基本原则

Abstract: In order to avoid short columns with the brittle fracture occurred in the high-rise buildings, I believe, the first to correctly determine the short column, and then take structural measures or treatment on short columns to improve ductility and seismic performance of short columns.Key words: high-rise buildings; earthquake; the basic principles

中图分类号：TU208.3 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

结构工程师按抗震设计要求进行结构分析与设计，其目标是希望使所设计的结构在强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，从而经济地实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一种随机性很强的循环、往复荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，存在着许多模糊和不确定因素，在结构内力分析方面，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，计算方法还很不完善，单靠微观的数学力学计算还很难使建筑结构在遭遇地震时真正确保具有良好的抗震能力。

1.高层建筑抗震结构设计的基本原则

1.1结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能

1.1.1结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。

1.1.2对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

1.1.3承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

1.2尽可能设置多道抗震防线

1.2.1一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架―剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成，双肢或多肢剪力墙体系组成。

1.2.2强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。

1.2.3适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。

1.2.4在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。

1.3对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力

1.3.1构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。

1.3.2要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。

1.3.3要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。

1.3.4在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。

2.我国抗震设计中的常见问题

通过多年对于建筑抗震设计的研究，我国逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计方法而且日益成熟，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。

2.1材料的选用不科学，结构体系不合理。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。由于我国建筑结构主要以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。

2.2地基的选取不合理。由于城市人口的增多和相对空间的缩小，不少建筑商忽略了这一问题，哪里商业空间大就在哪里建。

2.3高层建筑抗震设计中的短柱问题。高层建筑的地下车库等由于使用荷载大，层高较低，在设计中也不可避免地会出现短柱。这样很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足“中震可修，大震不倒”的设计准则。

3.改进提高建筑结构抗震性设计对策

3.1注重建筑结构体系和材料选用

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。

3.1.1首先，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；其次，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。再次，转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换；最后，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、筒体、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。

3.1.2结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。钢筋混凝土结构具有良好的塑性内力重分布能力，能较充分地发挥吸收和耗散地震能量的作用。

3.1.3结构体系宜设置多道抗震防线。高层结构形式应采用具有联肢、多肢及壁式框架的框架剪力墙，剪力墙框架简体，筒中筒等多道抗震防线结构体系。

3.1.4选择合适的材料，减轻结构自重。在高层建筑的方案设计阶段，应该先对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，综合考虑材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。从抗震角度来说，结构体系的抗震等级，其实质就是在宏观上控制不同结构的延性要求。这要求我们应根据建设工程的各方面条件，选用符合抗震要求又经济实用的结构类别。

3.2高层建筑抗震设计中短柱问题的避免措施

3.2.1可以考虑采用分体柱。

由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。人为削弱抗弯强度的方法，可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为２或４个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素砼连接键等形式。

3.2.2采用钢骨混凝土柱。钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。与钢结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度；

3.2.3采用钢管混凝土柱。钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。

3.2.4使用复合螺旋箍筋。高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对砼的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。

4.结束语

总之，抗震结构将是目前我国建筑设计机构的重点设计内容，选择有利的抗震场地，另外重视建筑平面的布置的规则性，在高层建筑抗震设计中避免短柱问题等，对于建筑结构的防震中尤为重要。只有这样才能建设出安全、高质量的建筑。

参考文献：

[1]朱镜清．结构抗震分析原理