高层建筑抗震性能的设计研究

钟顺美

（重庆市设计院　重庆　渝中　400015）

高层建筑抗震性能的设计研究

钟顺美

（重庆市设计院重庆渝中400015）

随着社会经济不断发展，我国城市化进程取得了进一步发展，高层建筑逐渐在城市各个角落迅速发展，然而，由于自然灾害频发，对高层建筑的抗震能力提出了更高要求，高层建筑抗震性能作为衡量一个建筑整体结构质量的重要标准，受到人们广泛关注。因此，加强对高层建筑物抗震性的研究具有现实意义。本文对高层建筑抗震性能的设计进行了深入的研究。

高层建筑；抗震性能；设计分析

引言

随着现代城市的发展，建筑物的外形越来越新颖多变，建筑物的高度也越来越高。这也使得建筑设计师与结构设计师之间的矛盾越来越突出，其主要矛盾的由来就是建筑结构的抗震设计要求。我国现行建筑抗震设计规范的要求，尤其是对高层建筑的体形等多方面有明确限制要求。本文对高层建筑抗震性能设计进行详细阐述。

1　我国建筑业中的抗震现状分析

我国现代抗震设计发展的历史：我国较为系统的抗震设计文件（试行）始于1974年，在此之前虽然也做了大量的资料及数据收集工作，但由于之前的建筑物层数较低，平面布局较为简单，地震发生地点多为偏远、人稀地区，震害影响较小，具体经验不足，一直未能形成统一技术规定。通过很多震区震后的工程实例，可以看到，采取抗震设计的房屋，所受的地震破坏程度大幅度降低，但是由于地震灾害的不可预见性及复杂性的特点，也要求结构设计人员不能照本宣科，还须具体工程具体分析。虽然抗震设计规范多次修改，但我国抗震设计的基本思想变化不大。对于建筑形体设计要求还是平面基本规则，竖向规则，整体建筑简单为主。这些抗震设计的基本要求是限制建筑设计方案发展的最主要一点。

2　提高高层建筑物抗震性能的有效对策

2.1缓冲地震压力

高层建筑物结构设计之初，应采用基于位移结构抗震方式和方法，对设计方案进行多次测量，确保整个建筑结构能够满足预期地震压力下的形变要求，确保建筑物在小地震影响下，不会出现倒塌等严重情况，影响到居民人身安全。另外，除了考虑高层建筑物纵向位移，还需要衡量其横向位移，结合建筑物界面应变分布情况，夯实地基，确保高层建筑在稳定的场地上施工，缓冲地震压力，有效提高高层建筑物结构稳定性。

2.2积极采用抗震措施

目前，我国大多数高层建筑一般采用延性结构提高整个结构的抗震性能，确保结构构件具有较大延性塑性状态，缓冲地震对建筑物的影响力，减轻地震对建筑物的破坏，即便是一些高层建筑物承载力并不高，但是，如果其具有较强的延性，抗震性能也会有所提升，这主要是延性构件在遇到地震时，能够有效吸收地震释放的能量，实现建筑物只裂不倒目标。随着科学技术不断发展，为高层建筑提升抗震性能提供了支持，阻尼器在高层建筑物中的应用，能够有效减轻地震强度，吸收地震释放的能量，从而提高建筑物抗震性能。

2.3选择质优建筑材料

高层建筑结构的各项性能是否能够得到的实现，仅仅停留在建筑形式和机构的设计上是不够的，设计好了只是一个良好的开始，建筑结构的材料选择也是十分关键的，这就要求结构设计师不仅要具备充分的理论知识，同时也需要对各种抗震性能较好材料有一个全面客观的认识，并且能够根据施工环境和区域特点适当的进行材料和建筑结构选择。在各种新型建筑材料和结构出现在人们的视野当中的时候，实用又经济的施工材料的选择显得尤为重要，站在抗震性能的角度来看，延伸性能较好的材料则是首选，再者，按照高层建筑结构的抗震性能优越性来说，钢结构、钢筋混凝土结构在目前的建筑结构中应用的较为普遍，而且相对来说也是稳定性能比较好的。

2.4重视建筑结构设计

为了能够有效提高高层建筑抗震性，应重视建筑结构抗震的设计。目前，我国钢结构加工制造能力较强，在建筑施工过程中，可以采用钢骨混凝土等结构，减少柱断面尺寸，增强建筑物抗震性能。另外，我国传统思想观念中，强调以柔克刚，在工程设计过程中，可以转变传统建筑抗震模式，通过柔性模式，来增强建筑物抗震性。例如：拱形结构等。拱形结构能够分解建筑物整体负载力，有效增强建筑物抗震性。

2.5加强抗震防御建设

除了从高层建筑物结构内部进行优化，提升抗震性，还可以从外部设置多重抗震防线，即便在遇到地震时，第一层防线遭到破坏，后续还有更多防线能够有效保护建筑物。高层建筑在抗震防御建设过程中，可以通过设置多个肢节和壁式框架，有效地完成建筑物防御建设。框架剪力墙作为现代高层建筑一种结构，以其自身具有较好的多道防线抗震结构，受到越来越多的关注，并得到广泛普及和应用。同时，要适当增加剪力墙数量，增强其承载能力，另外，在剪力墙之间应搭建连梁，将独立的剪力墙构成一个整体，满足现代高层建筑抗震性需求，从而有效保障居民人身、财产安全。

3　实例分析高层建筑的抗震性能设计

3.1工程概况

本工程地下2层，地上42层，层高3.0m，建筑主体高度为129.0m。地下2层为设备用房，地下1层为自行车车库等，地上除1层设入户大堂外，其余均为住宅；采用剪力墙结构、桩筏基础。抗震设防烈度为Ⅷ度（0.2g），抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第三组，剪力墙抗震等级为一级。横向剪力墙厚度：端部横墙1层为500mm，2～5层为450mm，6～32层为400～300mm，32层以上为250mm；其余部位横墙厚度1～26层为350mm，300mm，250mm，26层以上为300mm，200mm；纵墙厚度：1～5层为600mm，500mm，6～23层为600mm，450～300mm。混凝土强度等级：地下2层～地上5层为C50，6～27层为C40～C35，其余为C30；钢筋采用HRB400。结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。标准层结构平面布置图见图1。

图1　标准层结构平面布置图

3.2抗震性能目标确定

针对本工程为大高宽比剪力墙结构超高层建筑，设计采用基于承载力的抗震性能分析方法。根据高规和抗规，结构抗震性能目标选定C级，即多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震作用下，其性能水准分别为1、3、4。多遇地震性能水准1、设防烈度地震性能水准3的震后性能状况与规范“小震不坏、中震可修”的基本设防目标一致，大震性能水准4的震后性能状况高于“大震不倒”的基本设防目标。

3.3关键问题

3.3.1动力特性

X，Y向高宽比差异较大，两方向动力特性难以相近，如图2所示，本工程通过剪力墙的多种布置（含电梯井单片墙和井筒布置）计算比较和墙厚调整，使X，Y向平动周期比达0.83，基本接近0.85。

图2　最大层间位移角曲线

3.3.2抗倾覆稳定

高宽比太大，宽度方向抗倾覆弯矩相对倾覆弯矩小很多，基底零应力区面积难以满足要求。本工程按小震、中震和大震作用分别计算基底零应力区面积，扩大主楼地下室平面范围，将主楼筏板基础随地下室一同扩大，并增设钢筋混凝土扶壁墙以增大延伸部分筏板基础的面外刚度，达到增大抗倾覆弯矩的效果，且将小震、中震作用下基底零应力区控制为零，大震作用基底零应力区面积控制在25%内。

3.3.3墙肢受拉

横墙承担Y向地震抗剪作用，不承担X向地震抗剪作用，但X向中震作用下，端横墙受拉效应明显，甚至墙肢全截面受拉，且平均拉应力和最大拉应力均较大；Y向中震作用下，横墙墙肢平均拉应力为零，但墙肢面内弯矩效应较大，墙端拉应力大于混凝土抗拉强度较多而严重开裂。外向纵墙肢承担X向地震抗剪作用，不承担Y向地震抗剪作用，但X向中震作用下，其平均拉应力虽然较小，但面内弯矩效应明显使墙端拉应力显著导致墙端严重开裂；Y向中震作用下，一侧外纵向墙肢受拉效应明显而另一侧外纵向墙肢受压效应明显，两侧外纵向墙肢拉、压效应形成抵抗力矩，两侧墙肢均因拉力和面内弯矩效应较大导致墙端严重开裂。针对中部楼层（20层）以下墙肢受拉效应明显的问题，本工程在横墙端部及外纵向墙肢端部增设型钢或工字钢暗柱，增大墙身竖向钢筋配筋率以提高墙肢抗拉能力；降低外纵向墙肢轴压比（较高规限值降低0.1），提高剪力墙抗震延性；设过渡层，减小剪力墙正截面承载力和水平抗剪承载力的竖向突变。

3.4抗震优化设计

①应优化两方向剪力墙布置，使两方向第一平动周期比接近0.85。②大高宽比剪力墙结构超高层建筑，除满足小震作用下的抗倾覆稳定要求外，宜补充中震、大震作用下的抗倾覆稳定验算。小震、中震作用下基底不宜出现零应力区，大震作用下基底零应力区面积不宜大于25%。③剪力墙主筋和连梁配筋多为中震控制，剪力墙须作中震抗弯不屈服和中震弹性性能设计，保证中震可修的抗震设防目标。④中震作用下，除端部横墙在X向地震作用和一侧外纵向墙肢在Y向地震作用下全截面受拉效应明显外，其余墙肢均因面内弯矩较大而偏心受力效应显著，导致墙端最大拉应力较大而开裂。计算时除应控制墙肢平均拉应力外，尚应控制墙肢受拉区最大拉应力，以满足中震轻微损坏的性能目标。⑤外纵向墙肢在Y向中震作用下，一侧受拉效应明显，另一侧受压效应明显。除控制平均拉应力和受拉区墙端最大拉应力外，应适当降低外纵向墙肢轴压比限值，提高墙肢抗震延性。⑥针对墙肢受拉效应明显的特点，应在墙端增设钢暗柱以承担全部拉力，提高竖向分布钢筋和水平分布钢筋的配筋率以提高中震和大震作用下整体抗拉抗裂性能和抗剪承载力。鉴于外纵向墙肢受拉效应更为突出的特点，建议采用型钢混凝土构件。⑦大高宽比剪力墙结构超高层建筑，采取抗震性能设计并采取相应加强措施后，可实现结构安全度要求，但宜考虑工程造价的合理性。

4　结束语

根据上文所述，高层建筑物作为城市发展中的重要组成部分，与城市居民人身、财产安全息息相关。因此，为了能够促进城市建设更好地发展，抵御自然灾害给建筑带来的消极影响，应了解影响高层建筑物稳定性的因素，并采取有效措施，设计合理的建筑结构，选择质优材料，积极采用抗震措施，加强抗震防御建设等，提高建筑物抗震性能，从而推动我国建筑事业进一步发展。

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TU973+.31

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1673-0038（2015）23-0017-03

2015-5-17

钟顺美（1982-），女，工程师，硕士，主要从事工程结构设计方面的工作。