關(guān)于高層建筑抗震設(shè)計(jì)分析

摘要：在高層建筑設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。本文介紹了高層建筑的結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分析了各種結(jié)構(gòu)形式的抗震效果并在此基礎(chǔ)之上闡述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體系的選擇，闡述了高層建筑抗震設(shè)計(jì)思想和原則，探討了抗震設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)及抗震材料。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)體系

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑也越來(lái)越多，在這種情況下必須做好抗震設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，都是按照抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行的，他們希望設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面達(dá)到最佳，為此從結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)一開(kāi)始，就運(yùn)用人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震己有的正確知識(shí)去處理好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的諸如房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布，構(gòu)件延性等問(wèn)題，從宏觀原則上進(jìn)行評(píng)價(jià)、鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造措施，從而消除建筑物抗震的薄弱環(huán)節(jié)，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。

1、高層建筑抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1控制建筑物的側(cè)移是重要的指標(biāo)。在地震荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力占主導(dǎo)地位，所以建筑物會(huì)產(chǎn)生明顯的側(cè)移，隨建筑結(jié)構(gòu)的高度不斷曾加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移迅速增大，但該變形要在一定限度之內(nèi)，這樣才能保證結(jié)構(gòu)安全以及使用功能。

1.2地震荷載中的水平荷載是決定因素。水平荷載會(huì)使建筑物產(chǎn)生傾覆力矩，并且在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件中引起很大的軸力，這些都與建筑物高度的兩次方成正比，故隨建筑結(jié)構(gòu)高度的曾加，水平載荷大相徑庭。對(duì)高度一定的建筑物而言，豎向荷載基本上是不變的，但是隨著建筑物的質(zhì)量、剛度等動(dòng)力特性的不同，水平地震荷載和風(fēng)荷載的變化是比較大的。

1.3要重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加，剛度減小，顯得更柔，在地震荷載作用下變形較大。這就要求建筑結(jié)構(gòu)要有足夠的變形能力，使結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段仍然安全，需要在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取有利的措施，使得建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

2、高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)

2.1選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既要考慮其抗震安全性，也要盡可能的經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)應(yīng)布置多道抗震防線，避免部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力或喪失對(duì)重力的承載能力。此外，結(jié)構(gòu)

應(yīng)擁有良好的整體性和變形能力，使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和變形能力三者達(dá)到統(tǒng)一。

2.2建筑布置宜規(guī)則

高層建筑應(yīng)重視體形和結(jié)構(gòu)的總體布置。由于建筑體形不合理或結(jié)構(gòu)總體布置不合理而造成的地震災(zāi)害，在國(guó)內(nèi)外的大地震中都有所見(jiàn)?？拐鹪O(shè)計(jì)選擇的建筑平面和立面布置宜對(duì)稱、規(guī)則，避免采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免有剛度和承載力突然變小的樓層，造成薄弱層的出現(xiàn)，地震時(shí)該部分容易破壞。

2.3選擇合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和地震作用傳遞途徑

目前大多數(shù)高層建筑都可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序運(yùn)算，為保證計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠性，要求工程設(shè)計(jì)人員要熟練掌握結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的計(jì)算見(jiàn)圖，結(jié)構(gòu)在地震作用下的傳力途徑要簡(jiǎn)單、直接，利用合理的力

學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型獲得更為符合實(shí)際的抗震驗(yàn)算結(jié)果。

2.4選擇有利于抗震的場(chǎng)地和地基

高層建筑設(shè)計(jì)中要選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，避開(kāi)對(duì)建筑抗震不利的地段。當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?，不?yīng)在危險(xiǎn)地段上建造高層建筑。此外，設(shè)計(jì)前應(yīng)估算建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，并與場(chǎng)地卓越周期錯(cuò)開(kāi)，防止地震

時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生類(lèi)共振現(xiàn)象的破壞。

3、結(jié)構(gòu)體系的合理選擇

地震對(duì)建筑物的傷害主要是水平地震力所造成的剪切破壞，所以根據(jù)結(jié)構(gòu)體系對(duì)抗側(cè)力能力的不同，鋼筋砼結(jié)構(gòu)主要可分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等，這也是我國(guó)高層建筑長(zhǎng)采用的結(jié)構(gòu)形式。由于這些體系的結(jié)構(gòu)形式、抵抗水平力的能力有所區(qū)別，尤其是對(duì)地震反映大不相同，因此它們適用于不同的場(chǎng)合。

3.1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)由框架梁、柱構(gòu)件組成。其特點(diǎn)是柱網(wǎng)布置靈活，便于獲得較大的使用空間?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的框架梁和柱既承受豎向荷載，又承受水平荷載。當(dāng)建筑物高度較低、層數(shù)相對(duì)較少時(shí)，其水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大，這時(shí)采用框架結(jié)構(gòu)還是比較合適的，既滿足受力要求，也提供了很大的使用空間。但框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度很小，隨著建筑物高度的曾加，框架結(jié)構(gòu)水平荷載分布呈現(xiàn)出不均勻的現(xiàn)象，有的樓層相對(duì)薄弱，很容易屈服。地震荷載對(duì)柱子的破壞作用要相對(duì)強(qiáng)烈，而對(duì)梁的破壞相對(duì)較輕，而柱子頂端的破壞比底端要嚴(yán)重，特別是對(duì)角柱和邊柱來(lái)說(shuō)破壞更加嚴(yán)重。短柱的剪跨比較小，發(fā)生柱中剪切破壞幾率較大，對(duì)一般的柱而言，發(fā)生的是柱端彎曲破壞。故框架結(jié)構(gòu)在很高的建筑中應(yīng)用的不多，尤其是是采用砌體填充墻時(shí)，地震荷載作用下填充墻破壞嚴(yán)重，

修復(fù)費(fèi)用很高。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻由縱、橫方向的墻體組成的抗側(cè)力體系，屬于以彎曲變形為主的結(jié)構(gòu)體系。該體系的特點(diǎn)是，側(cè)向剛度比較大，抗側(cè)移能力明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)，而且整體性好，有利于結(jié)構(gòu)整體受力。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)可以用于比較高層住宅，性能穩(wěn)定。但是剪力墻結(jié)構(gòu)也有其自身的缺點(diǎn)。從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，剛度越大周期越短，動(dòng)力反映就會(huì)越強(qiáng)烈，即使建筑結(jié)構(gòu)抗力滿足要求，建筑內(nèi)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞；除此之外，剪力墻結(jié)構(gòu)有大量的墻體結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼而使得自重大，對(duì)建筑平面設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大局限，很難提供足夠大的空間。所以，剪力墻結(jié)構(gòu)主要用于高層建筑并且對(duì)建筑空間要求不大的結(jié)構(gòu)中。

3.4 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)包括框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)與筒中筒結(jié)構(gòu)框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)有外框架和內(nèi)部核心筒組成。內(nèi)部核心筒具有很大的剛度，很好的滿足側(cè)向變形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；外部框架可以提供大空間來(lái)滿足建筑布置上對(duì)空間的要求。而筒中筒結(jié)構(gòu)是由薄壁的內(nèi)筒與密柱的外框筒組成，筒中筒結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有比剪力墻結(jié)構(gòu)更大的側(cè)向剛度，抗側(cè)移性能更好，所以，適用于超高層建筑。

每種建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和適用的范圍都不相同，并且高度不同采用的抗震等級(jí)也不盡相同，具體見(jiàn)表 1 所示。

4、高層建筑抗震設(shè)計(jì)中材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問(wèn)題

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。中國(guó) 150 m以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系（框—筒、筒中筒和框架—支撐體系），都是其他國(guó)家高層建筑采用的主要體系。中國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了 90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有經(jīng)受較大地震作用的考驗(yàn)。在高層建筑中采用框架—核心筒體系，因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業(yè)主所看中?；旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)簡(jiǎn)往往要承受 80%以上的震層剪力，有的高達(dá) 90%以上。

由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí)，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。在高層建筑中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選。

現(xiàn)在我國(guó)鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，建筑鋼材的類(lèi)型及品種也在逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5、地震作用下高層建筑動(dòng)力時(shí)程分析算例

有一高層建筑高 250m，共 60 層。本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工圖建立了質(zhì)量串有限元數(shù)學(xué)模型（如圖 1），其中各樓層用三維質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，而柱、剪力墻等豎向承重構(gòu)件用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。利用有限元?jiǎng)恿μ匦苑治瞿K計(jì)算的結(jié)

構(gòu) X 向前兩階振型分別是 0.154Hz 和 0.470Hz，Y 向前兩階振型分別是 0.153Hz 和 0.461Hz[5]。本文計(jì)算選用的地震波為隨機(jī)生成的地震加速度模擬數(shù)據(jù)（如圖 2 所示），經(jīng)瞬態(tài)動(dòng)力分析計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng)如圖 3 所示。由圖可知，盡管輸入的地震波幅值較小，但由于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)，仍然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上部出現(xiàn)了較大的動(dòng)力響應(yīng)。

6、結(jié)論

隨著社會(huì)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新及施工技術(shù)的進(jìn)步，促使高層建筑往更高的方向發(fā)展，其在地震作用下的安全性也變的尤為重要。但由于高層建筑抗震設(shè)計(jì)屬于繁重而復(fù)雜的過(guò)程，設(shè)計(jì)時(shí)一定要從概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)方向同時(shí)入手，從而獲得即經(jīng)濟(jì)又安全可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果。