浅议高层建筑抗震结构设计

浅议高层建筑抗震结构设计

周瞻荣

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摘要：地震作用影响因素极为复杂，它是一种随机的、尚不能准确预见和准确计算的外部作用，目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法，要进行精确的抗震计算还有一定的困难，因此，本文将对高层建筑抗震结构设计的基本原则分析，从而探索高层建筑的设计理念、方法，采取必要的抗震措施。

关键词：高层建筑；抗震结构；设计

引言：高层建筑已经逐渐成为当前时代建筑发展的主流建筑形态之一，对于高层建筑，其抗震效能的分析一直是国内外建筑抗震设计分析的研究热点，而最直接最有效的抗震措施就是在建筑设计阶段进行结构抗震设计。

1、高层建筑抗震结构设计的基本原则

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。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。同时要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。

2、高层建筑的抗震设计理念

建筑结构要满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算，建筑的弹性变形应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。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。这就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。

3、结构抗震设计方法

3.1基础的抗震设计

基础是实现高层建筑安全性的重要条件。我国高层建筑通常采用钢筋混凝土连续地基梁形式，在基础梁的设计中，为充分发挥钢筋的抗拉性和混凝土的抗压性的复合效应，把设计重点放在梁的高度和钢筋的用量上，在钢筋的布置上采用主筋、腹筋、肋筋、基础筋、基础辅筋5种钢筋的结合。为防止基础钢筋的生锈，一方面采用耐酸化的混凝土，另一方面是增加钢筋表面的保护层厚度，以抑止钢筋的腐蚀。高层建筑基础处理的另一个特色是钢制基础结合垫块的应用，它是高层建筑上部结构柱与基础相连的重要结构部件。它的功能之一是使具有吸湿性的混凝土基础和钢制结构柱及上部建筑相分离，有效防止结构体的锈蚀，确保部件的耐久性。

3.2钢结构骨架的抗震设计

采用钢框架结合点柱壁局部加厚技术来提高结构抗震性能。一般钢框架结构，梁和柱结合点通常是柱上加焊钢制隅撑与梁端用螺栓紧固连接。在这种方式下，钢柱必须在结合部被切断，加焊隅撑后再结合，这样做技术上的不稳定性和材料品质不齐全的可能性很大，而且遇到大地震，钢柱结合部折断的危险性很大。鉴于此，可以首先该结构的梁柱采用高密度钢材，以发挥其高强抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免断柱形式，对二、三层的独立住宅而言，结构柱可以一贯到底，从而解决易折问题。与梁结合部柱壁达到两倍厚，所采用的是高频加热引导增厚技术。在制造过程中品质易下降的钢管经过加热处理反而使材料本来所具有的拉伸强度得以恢复。对于地震时易产生的应力集中，柱的增厚部位能发挥很大的阻抗能力，从而提高和强化了结构的抗震性。

3.3墙体的抗震设计

“三合一”外墙结构体系，首先是由日本专家设计应用的，采用外墙结构柱与两侧外墙板钢框架组合形成的“三合一”整体承重的结构体系。该体系不仅仅用柱和梁来支撑高层建筑，而是利用墙体钢框架与结构柱结合，有效地承受来自垂直方向与水平方向的荷载。由于外墙板钢框架的补强作用，该做法可以较好地发挥结构柱设计值以外的补强承载力。加强了对竖向地震力及雪荷载的抵抗能力，最大限度地发挥其抗震优势；另一方面，由于外墙板钢框架与内部斜拉杆所构成“面”承载与结构柱的结合并用，这提高了整体抗侧推力和抗变形能力。

4、高层建筑抗震设计的措施

4.1选择具有抗震效果的建筑材料

建筑材料的选择对建筑抗震效果也有一定的影响，随着材料技术的不断进步，具有抗震功能的新材料不断面世，在建筑行业也受到广大设计者的青睐，在建筑时尽量采用框架剪力墙的结构，以钢结构为基础进行建设，在宏观上提高了建筑的刚性和延性，有助于提高建筑结构的稳定性。钢结构相比于目前采用的混凝土结构，遇有更高的强度和韧性，在重量比上也要优于混凝土结构，具有更好的抗震性能。

4.2尽可能设置多道抗震防线

当发生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。

4.3抗侧力体形的优化

对一般性构造的高楼，刚比柔好，采用刚性结构方案的高楼，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时的结构变形小，隔墙，围护墙等非结构部件将得到保护，破坏也会减轻。提高结构的超静定次数，在地震时能够出现的塑性铰就多，能耗散的地震能量也就越多，结构就愈能经受住较强地震而不倒塌。改善结构屈服机制，使结构破坏十按照整体屈服机制进行，而不是楼层屈服机制。设计结构时遵循强节弱杆、强柱弱梁、强剪弱弯，强压弱拉的原则。在进行结构设计时，应该选定构件中轴力小的水平杆件，作为主要耗能杆件，并尽可能使其发生弯曲耗能。

4.4竖向布置力求均匀

结构竖向布置均匀，可以最大限度的使其竖向刚度、强度变化均匀，这样可以有效的避免出现薄弱层。从建筑结构的特点看，临街的建筑物，往往会因为商业的需要，底部几层有大空间的设置。非临街的建筑物，底部也可能门厅、餐厅或停车场，而出现大空间。在这种结构中，上部的钢筋混凝土抗震墙或竖向支撑或砌体墙体到此被中止，而下部须采取框架体系。也就是说，同一楼层的框架柱，必须要具有大致相同的刚度、强度和延性，以此避免地震时，因受力大小悬殊而被各个击破的危险。此外，还必须注意的是，在采用纯框架结构的高层建筑中，楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连时，应该避免该柱变成短柱的情况，这样才能有效的避免地震时发生剪切破坏。

结束语

总而言之，高层建筑结构的抗震设计方法和技术是不断变化和进步的，我们需要在具体的实践中对高层建筑所处的地质和环境进行详细的分析和研究，选用适合的抗震结构，注重建筑结构材料的选择，减小地震的作用力，增强地震的抵抗力，从而达到高层建筑抗震的目的。

参考文献

[1]李志.高层建筑抗震设计分析[J].中外建筑，2010

[2]宫彩红.试析高层建筑抗震结构设计[J].城市建设理论研究，2012

[3]王东晖.高层建筑抗震结构设计分析[J].建设科技，2011