高层建筑抗震结构设计关键技术

摘 要：由于高层建筑中抗水平力成为设计的主要矛盾,因此采用何种抗侧力结构是结构设计的关键性问题.根据抗侧力结构的不同,钢筋混凝土结构主要可分为框架结构、框架―剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构等几种结构体系,这些体系的受力特点、抵抗水平力的能力,特别是抗震性能等有所不同,因此具有不同的适用范围.本文论述了建筑的抗震结构原理、常见问题以及主要的抗震措施.

关 键 词：高层建筑；抗震结构；设计；问题；

0.引言

我国城市人口的不断增多、建设用地的日趋紧张和城市规划的需要,使高层建筑得以快速的发展.科技的进步、新材料出现和施工技术的不断提高、计算机的普及和结构分析等新科技水平的提高,为高层建筑的发展提供了条件.而高层建筑的发展也对建筑的抗震性能提出了更高的要求.近年来不断发生的地震灾害,带来了巨大的人员伤亡和经济损失,给人们敲响了警钟.地震作用影响因素复杂,目前尚没有精确的抗震计算方法,规范给出的计算方法也是半经验半理论的计算,但在楼层的设计中,对于高层建筑的抗震性能设计,已经引起人们的高度重视,采用了各种措施来提高高层建筑的抗震性能.本文将从抗震结构设计的基本原则,我国高层建筑抗震设计常见的问题以及提高抗震性能措施三个方面对高层建筑的抗震结构进行阐述.

1.高层建筑抗震结构设计的基本原则

（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；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；③承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件.

（2）尽可能设置多道抗震防线.由于每次强震之后都会伴随多次余震,因此在建筑物的抗震设计过程中若只有一道设防,则其在首次被破坏后而余震来临时其结构将因损伤积累而倒塌.因此,建筑物的抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,在地震发生时由具有较好延性的结构构件协同工作来抵挡地震作用.当遭遇第二设防烈度地震即低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,但经一般修理或不需修理仍可继续使用.因此,要求结构具有相当的延性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即高于本地区抗震设防度的罕遇地震时,结构虽然破坏较重,但结构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,从而保了人员的安全.

（3）对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其抗震能力.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；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；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；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.

2.我国高层建筑抗震设计常见的问题

（1）工程地质勘查资料不全

在设计初期,设计人员应该及时掌握施工场地的地质情况,但是往往在设计过程中,却没有建筑场地岩土工程的勘察资料,就不能很好的进行地基设计,给建筑物的结构带来安全隐患.

（2）建筑材料不满足要求

对于材料而言,我们要明确这样一个道理：地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比.一般说在相同条件下,质量大,地震作用就大,震害程度就大,质量小,地震作用就小,震害就小.所以,在建筑物的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙以及屋面构件中,广泛采用多孔砖、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,将能显著改善建筑物的抗震性能.

（3）建筑物本身的建筑结构设计

建筑物如果平面布置复杂,致使质心与刚心不重合,在地震作用下产生扭转效应,则会加剧了地震的破坏作用,海城地震和唐山地震中有不少这样的震害实例.台湾9.21地震中,一栋钢筋混凝土结构由于结构平面不规则,在水平地震作用下,结构产生严重扭转效应而破坏倒塌,同时撞坏相邻建筑上部的阳台.

（4）平面布局的刚度不均

抗震设计要求建筑的平、立面布置宜规正、对称,建筑的质量分布和刚度变化宜均匀,否则应考虑其不利影响.但有的平面设计存在严重的不对称：一边进深大,一边进深小；一边设计大开间,一边为小房间；一边墙落地承重,一边又为柱承重.平面形状采用L、π形不规则平面等,造成了纵向刚度不均,而底层作为汽车库的住宅,一侧为进出车需要,取消全部外纵墙,另一侧不需进出车辆,因而墙直接落地,造成横向刚度不均.这些都对抗震极为不利.

3.提高抗震性能措施

（1）选择合理结构类型

在高层建筑中,其竖向荷载主要使结构产生轴向力,而水平荷载主要使结构产生弯矩,随着高度的增加,在竖向荷载不变的情况下,水平荷载作用力增加,此时竖向荷载所引起的建筑物侧移很小,但是水平荷载参数的侧移就非常大,与高度层四次方变化,因此在高层建筑中,主要对水平荷载进行控制,在设计过程中,应该在满足建筑功能及抗震性的前提下,选择切实可行的结构类型,使其具有良好的结构性能.目前大多数的高层建筑都采用了钢混结构,这种结构具有较大的刚度,空间整体性好,材料资源丰富,可组成多种结构体系.但是其变形能力差,造价相对较高,当场地特征周期较长时,容易发生共振现象.

（2）减小地震能量输入

具有良好抗震性能的高层建筑结构要求结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求,因此在设计过程中除了控制构件的承载力外还应控制结构在地震作用下的层间位移极限值或位移延性比,然后根据构件变形与结构位移的关系来确定构件的变形值,同时根据截面达到的应变大小及分布来确定构件的构造要求,选择坚硬的场地土来建造高层建筑等方法来减小地震能量的输入.

（3）减轻结构自重

对于同样的地基条件下进行建筑结构设计若减轻结构自重则可相应增加层数或减少地基处理造价,尤其是在软土基础上进行结构设计这一作用更为明显,同时由于地震效应与建筑质量成正比,而高层建筑由于其高度大重心高等特点,在地震作用时其倾覆力矩也随之增加,因此,为了尽量减小其倾覆力矩应对高层建筑物的填充墙及隔墙尽量采用轻质材料以减轻结构自重.

5.结语

总之,面对中国的高层建筑抗震结构存在的诸多问题,限于我国作为一个发展中国家的财力、物力,探讨、研究有效的建筑抗震措施的任务仍然十分艰巨.于此同时,我国政府相关部门也应该加强规范力度,发挥好对高层建筑防震措施的检查、检验效力.