浅谈高层建筑结构抗震设计

随着我国经济的蓬勃发展，各地的高层建筑纷纷拔地而起，速度惊人。高层建筑结构的抗震设计一直以来就是建筑设计和施工的重点，要使工程建设真正能够减轻甚至避免地震带来的危害，把握好抗震设计是关键。因此，我们首先要对建筑地震进行必要的理论分析，然后进行抗震设计，从而来探索高层建筑的抗震设计理念和方法，以采取必要的抗震措施。

一、高层建筑结构抗震设计的理论和规范

我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定：1、高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。2、除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱方法。3、特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。我国《建筑抗震规范》(GB50011-2001)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时，结构处于弹性变形阶段，建筑物处于正常使用状态，一般不受损坏或不需修理仍然可继续使用。因此，在设计时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，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时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能会出现一定程度的破坏，但经一般的修理或不需修理仍可继续使用。因此，设计时要求结构具有适当的延性能力(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时，结构虽然破坏较重，但结构的非弹性变形尚未使结构倒塌，不会发生危及生命的严重破坏，从而保障了人们的安全。因此，在设计时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。

二、高层建筑结构抗震设计应注意的问题

1、应重视建筑结构的规则性

结构的平面布置不规则、平面布局的刚度不均都会对抗震效果产生不利影响。因此，在高层建筑结构抗震设计中，不应采用严重不规则的设计方案。在高层建筑中抗震设计中，提倡平、立面布置规正、对称、减少偏心，建筑的质量分布和刚度变化均匀。以往震害经历表明，此种类型的建筑在地震时比较不容易受到破坏，容易估计出其地震反应，易于采取相应的抗震措施。

2、对地基的选择

选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显地减少地震能量输入，从而减轻地震的破坏程度。高层建筑宜避开对抗震不利的地段，当条件不允许时应采取可靠措施，使建筑在地震时不致由于地基失稳而遭受破坏，或者产生过度下沉、倾斜。为了保证高层建筑的稳定性，要求基础要有一定的埋置深度。埋深基础四周土壤的被动土压力，能够抵抗高层建筑承受水平载荷所产生的倾覆和滑移。天然地基基础埋深为建筑高度的1/15，桩基基础埋深为建筑高度的1/18。针对地下室分缝处，应有500以上空隙用砂回填夯实;若地下室一面为开口，应保证开口以下至少2米以上覆土。

3、抗侧力结构和构件应设计成延性结构或构件

目前我国采用的传统抗震结构体系是延性结构体系，即适当地控制结构的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，提高结构的耗能能力，以消耗地震能量，减轻地震作用，减小楼层地震剪力，使结构物裂而不倒。在施工时应采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减轻结构的地震反应。

4、多道设防

多道设防，就是设有多道抗震防线，避免因部分结构的破坏而导致整个体系丧失抗震能力。一个好的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来协同工作。强烈的地震后往往伴随多次余震，倘若只有一道设防，在首次受到破坏后再遭余震，建筑结构将会因损伤积累而导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，并建立一系列分布的屈服区，主要的耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以提高结构的抗震性能，尽量避免倒塌。

三、高层建筑结构抗震设计应用的体系

1、框架-剪力墙体系

框架-剪力墙体系不仅框架结构布置灵活，使用方便，又有较大的刚度和较好的抗震性能。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架主要承受垂直载荷，剪力墙主要承受水平剪力。框架-剪力墙结构体系中剪力墙高宽比应大等于2，从而使其在地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量产生在墙体的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力，避免墙肢的剪切破坏，提高其抗震能力。

2、剪力墙体系

剪力墙体系的结构刚度大、空间整体性好。在剪力墙结构体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直载荷和水平力。剪力墙结构体系的刚度和强度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建的高度大于框架或者框架-剪力墙结构体系。

四、总结

建筑结构抗震设计的好坏是建筑物能否取得良好抗震效果的前提，因此，在进行抗震设计时，要根据理论分析，选择的结构布置和合理的材料运用，从多个方面慎重考虑，从而使高层建筑结构满足人们的使用要求，能够减轻甚至避免地震带来的危害。

参考文献

[1] 朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社.2002.

[2] 姜忻良.高层建筑结构与抗震第1版.中央广播电视大学出版社. 2004.11.

[3] 吕西林.复杂高层建筑结构抗震理论与应用.科学出版社.2007.9.