对于高层建筑结构的抗震设计探讨

刘志成

摘要：进行高层建筑结构抗震设计的过程当中应该充分考虑当地的地质情况，有针对性的进行相应的设计，尽可能的降低地震造成的损坏。本文介绍了高层建筑的抗震设计要求，分析了高层建筑结构的抗震设计要点。

关键词：高层建筑，结构 ， 抗震设计 ， 要点

Abstract: for high-rise buildings aseismic design of process should fully consider the local geology condition, targeted for the corresponding design, possible reducing earthquake damage. This paper introduces the seismic design of high-rise building requirements, analyzes the structure of the high-rise building aseismic design essentials.

Keywords: high building, structure, seismic design, the main points

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

我国是一个地震灾害比较频繁的国家，对于高层建筑来说，一旦遭遇地震，往往会遭受巨大的损失。因此在进行高层建筑结构抗震设计的过程当中应该充分考虑当地的地质情况，有针对性的进行相应的设计，尽可能的降低地震造成的损坏。

一、高层建筑的抗震设计要求

我国《建筑抗震规范》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即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构处于弹性变形阶段，建筑物处于正常使用状态。因此，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，要求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。

三个水准烈度的地震作用水平，按三个不同超越概率来区分的。

对建筑抗震的三个水准设防要求，是通过“两阶段”设计来实现的，其方法步骤如下：第一阶段：第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件截面设计，从而满足第一水准的强度要求；第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角，使其不超过抗震规范所规定的限值；同时采用相应的抗震构造措施，保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能，从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段：采用与第三水准相对应的地震动参数，计算出结构的弹塑性层间位移角，使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。

二、高层建筑结构的抗震设计要点

1、高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要尽可能的接近、变形特性要比较相似。主要原因是因为实际的高层建筑结构都是三维的，实际的地震作用、风荷载都具有任意的方向性，高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，这就就能具有比较良好的抗震和抗风性。

2、高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀，不能发生突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变，这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。

3、高层建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽可能均匀，还应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。此时，即使结构仍满足对称性和刚度的要求，但由于这个别结构刚度巨大，地震发生时，将首先吸收极大的能量，应力特别集中，容易首先招致破坏，从而引起整体结构的破坏。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀，水平荷载作用下应力分布将比较均匀，有利于结构抗震延性的实现。

4、高层建筑主体抗侧力结构的平面

布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免高层建筑在地震或风的扭矩作用下产生过大的扭转变形，从而引起结构或非结构构件的破坏。

高层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。

5、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。

在地震作用下，地震合理的破坏机制应该是:框架地震破坏机制，应该是节点基本不破坏，梁比柱的屈服可能早发生、多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。

总之，框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力。框架一剪力墙结构和剪力墙结构中剪力墙的各墙段的高宽比不宜小于2，使其呈弯剪破坏，且塑性屈服也宜产生在墙的底部。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。

6、结构体系宜有多道抗震防线。

框架一剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50%。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5倍两者的较小值。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁(包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。再就是连梁的刚度、承载力和变形能力应与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化。一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁。

7、合理的高层建筑主体抗侧力结构

刚度以满足和略大于规范限值即可，结构的延性和安全储备主要依靠合理的结构构造和精心的设计。单纯靠加大结构截面尺寸来加大刚度，有时会适得其反，如果配筋构造等措施没有相应跟上，反而会造成结构的隐患，多花了材料、成本，反而损坏了结构的延性和安全度。

8、提高结构和构件的延性水平

结构的延性一般用结构顶点的延性系数表示: μ=Δu q/ Δuz

式中：Δuq结构顶点屈服位移;μ结构顶点延性系数;Δuz结构顶点弹塑性位移限制。

一般认为，在抗震结构中结构顶点延性系数μ应不小于3~4。结构的顶点位移△是由楼层的层间位移Δui累积产生的，而层间位移又是由结构构件的变形形成的。因此，要求结构具有一定的延性就必须保证结构构件有足够大的延性，主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土首先压馈或剪切破坏，以及钢筋锚固失效和粘结破坏。

为提高结构和构件的延性水平，避免脆性破坏，应主要注意以下两点：

（1）轴压比限制

轴压比是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土边缘失达到其极限压应变的主要指标。根据试验研究表明，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不甚明显。所以，抗震结构应限制偏心受压构件的轴压比。

（2）剪压比限制

现行的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式，是基于斜截面上箍筋基本能达到抗拉屈服强度，其受剪承载力随配箍特征值的增长呈线性关系。试验表明，配箍特征值过大时箍筋不能充分发挥其强度，构件将呈腹部混凝土斜压破坏；同时剪压比对构件变形性能也有显著影响，因此限制剪压比，实质上也是对构件最小截面的要求。

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