小議高層建筑結構抗震設計

梁沛林

摘要：高層建筑已經逐漸成為當前時代建筑發展的主流建筑形態之一，對于高層建筑，其抗震效能的分析一直是國內外建筑抗震設計分析的研究熱點，而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設計階段進行結構抗震設計，只有從高層建筑物內部實施結構抗震，才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。

關鍵詞：高層建筑；結構；抗震設計；措施

1高層建筑結構抗震設計的布置原則

在高層建筑結構設計中，當結構體系確定后，結構總體布置應當密切結合建筑設計進行，使建筑物具有良好的造型和合理的傳力路線。因此，結構體系受力性能與技術經濟指標能否做到先進合理，與結構布置密切相關。

一個先進而合理的設計，不能僅依靠力學分析來解決。因為對于較復雜的高層建筑，某些部位無法用解析方法精確計算。因此，還要正確運用“概念設計”?！案拍钤O計”是指對一些難以做出精確計算分析，或在某些規程中難以具體規定的問題，應該由設計人員運用概念進行判斷和分析，以便采取相應的措施，做到比較合理地進行結構設計。以下論述的諸方面均須用概念設計的方法加以正確處理。

1.1結構平面布置

高層建筑的開間、進深尺寸和選用的構件類型應符合建筑模數，以利于建筑工業化。在一個獨立的結構單元內，宜使結構平面形狀和剛度均勻對稱。需要抗震設防的高層建筑，其平面布置應符合下列要求：

1）平面宜簡單、規則、對稱、減少偏心。

2）平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過長，值宜滿足有關要求。

3）不宜采用角部重疊的平面圖形或細腰形平面圖形。

1.2結構豎向布置

高層建筑的高寬比不宜過大，一般將高寬比控制在5～6以下，當設防烈度在8度以上時，限制應更嚴格一些。高層建筑的豎向體型宜規則、均勻，避免有過大的外挑和內收。

1.3變形縫的設置

在結構設計中，為防止結構因溫度變化和混凝土收縮而產生裂縫，常隔一定距離設置溫度伸縮縫；在高層部分和低層部分之間，由于沉降不同設置沉降縫；在地震區，建筑物各部分層數、質量、剛度差異過大或有錯層時，設置防震縫。溫度縫、沉降縫和防震縫將高層建筑劃分為若干個結構獨立的部分，成為獨立的結構單元。在高層建筑里，應盡量少設置變形縫，當不可避免地需要設置變形縫時，應確保各單元間的變形縫有足夠的寬度。

2高層建筑抗震設計存在的問題

2.1 缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。有的在擴初設計階段還缺建筑場地巖土工程的勘察資料，有的在擴初設計會審之后就直接進入了施工圖設計，有的在規劃設計或方案設計會審后就直接進入了施工圖設計。無巖土工程勘察資料，設計缺少了必要的依據。

2.2抗震設防標準掌握不當。有一些項目擅自提高了設防標準，按照《建筑抗震設防分類標準（GB 50223-95）》劃分應屬六度設防的，但設計中提高了一度按七度設防，提高了建筑抗震設防標準，將會增加工程投資；有的項目嚴格應按七度采取抗震措施的，但設計中又按六度設防，減低了抗震設防標準，不利抗震。

2.3結構的平面布置。外形不規則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質心偏心大，同一結構單元內，結構平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。

2.4結構的豎向布置。在高層建筑中，豎向體型有過大的外挑和內收，立面收進部分的尺寸比值B1/B不滿足≥0.75的要求。

2.5框架結構砌體填充墻抗震構造措施不到位。砌體外圍護墻砌筑在框架柱外又沒有設置抗震構造柱，框架間砌體填充墻高度長度超過規范規定要求又沒有采取相應構造措施。

2.6抗震構造柱布置不當。如外墻轉角處，大廳四角未設構造柱或構造柱不成對設置；以構造柱代替磚墻承重；山墻與縱墻交接處不設抗震構造柱；過多設置抗震構造柱等。

2.7結構其他問題。有的底層無橫向落地抗震墻，全部為框支或落地墻間距超長；有的僅北側縱墻落地，南側全為柱子，造成南北剛度不均；有的底層作汽車庫，設計時橫墻都落地，但縱墻不落地，變成了縱向框支；還有的底框和內框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設計，其中幾乎很少有縱墻。

3加強高層建筑結構抗震設計的基本措施

3.1場地和地基的選擇

選擇建筑場地時，應根據工程需要，掌握地震活動情況、工程地質和地震地質的有關資料，對抗震有利、不利和危險地段作出綜合評價。對不利地段，應提出避開要求；當無法避開時應采取有效措施；選擇地基時，一般而言，巖石、半巖石和密實的地基土對房屋抗震最有利，是最好的建筑場地；而松軟的，軟弱粘性土等，尤其是易發生砂土液化的地區，都對房屋的抗震不利。同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上；同一結構單元不宜部分采用天然地基不采用樁基。

3.2建筑結構的規則性

建筑及其抗側力結構的平面布置宜簡單、規則，剛度和承載力分布均勻。平面宜為矩形，方形、圓形等規則的平面，因為形狀規整，地震時能整體協調一致，并可以使結構處理簡化。否則當平面為L、T形時，形狀凸出凹進，結構的質心和剛心不重和，地震是轉角應力集中，扭轉震動明顯，導致遠離剛心的剛度較小的構件，側移量加大，所分擔的水平地震力與顯著增大，很容易發生破壞，甚至導致整個結構因一側結構失效而倒塌。豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。如果豎向不規則的建筑結構，應采用空間結構計算模型，其薄弱層的地震剪力應乘以1.15的增大系數，應按規范有關規定進行彈塑性變形分析。

3.3建筑結構材料的選取

在高層建筑結構方案的設計中，結構材料的選取是很重要的。從抗震角度設計來說，結構體系的抗震等級，其實質就是在宏觀上控制不同結構的延性要求，例普通鋼筋宜選用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋；普通鋼筋的強度等級，縱向受力鋼筋宜選用HRB400級和HRB500級熱軋鋼筋，箍筋宜選用HRB335、HRB400和HPB300級熱軋鋼筋。這要求我們應根據建設工程的各方面條件，選用既符合抗震要求又經濟實用的結構類別，按此標準來衡量，使用不同材料的幾重結構類型，依其抗震延性性能優劣的順序是：鋼結構，型鋼混凝土結構，現澆鋼筋混凝土結構，裝配式鋼筋混凝土結構，配筋砌體結構。

3.4隔震和消能減震設計

隔震和消能減震設計，應主要用于使用功能有特殊要求的建筑，對于高層建筑，選擇堅硬的場地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯開地震動卓越周期，可防止共振破壞。隔震設計應根據預期的水平減震系數和位移控制要求，選擇適的隔震支座及為抵抗地基微震動與風荷載提供初剛度的部件組成的隔震層。提高結構阻尼，采用高延性構件，能夠提高結構的耗能能力，減輕地震作用，減小樓層地震剪力。

3.5抗側力體系的優化

對一般性構造的高樓，剛比柔好，采用剛性結構方案的高樓，不僅主體結構破壞輕，而且由于地震時的結構變形小，隔墻，圍護墻等非結構部件將得到保護，破壞也會減輕。提高結構的超靜定次數，在地震時能夠出現的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結構就愈能經受住較強地震而不倒塌。改善結構屈服機制，使結構破壞十按照整體屈服機制進行，而不是樓層屈服機制。設計結構時遵循強節弱桿、強柱弱梁、強剪弱彎，強壓弱拉的原則。在進行結構設計時，應該選定構件中軸力小的水平桿件，作為主要耗能桿件，并盡可能使其發生彎曲耗能。從而使整個構件具備較大的延性和耗能能力。

3.6常用的加固設計

針對抗震鑒定結論，根據建筑結構不同體系及不同特點，在抗震加固時宜從以下幾個方面來考慮具體的加固方法：對了原有結構體系存在明顯不合理的情況，條件許可時可采用增設構件的方法予以改善，否則采取能同時提高承載力和變形能力的方法，使整體抗震能力滿足要求；對于需要提高承載力或結構整體剛度的情況，可以增設構件，擴大原截面，設置套箍等方法；對了結構的整體性連接不符合抗震要求的情況，可以以提高變形能力為思路；對于局部構造不符合要求時，可進行局部處理或改變傳力途徑，使地震作用由增設的構件承擔，從而保護局部薄弱構件；對于次要的非結構構件不符合抗震要求的情況，可僅對可能倒塌傷人的部位加以處理。

3.7控制結構變形

地震時建筑物的破壞程度，主要取決于主體結構變形的大小。水平地震作用下高層結構各樓層的側移，包含四種成分：整體剪切變形，整體彎曲變形，整體平移，整體轉動。對不同的結構應采取針對性的措施，控制結構的變形。結構實驗和震害調查表明，采用層間側移角度來評估結構的損壞程度是比較合理的，《抗震規范》對高層結構不同水準下的層間側移角限值作出了規定。減小結構側移的途徑主要有：減小框架的柱距和梁距，采用彎-剪雙重抗側力體系，設置剛臂，豎向支撐的交錯布置，變平面構件為立體構件，圍護結構參與抗震，傾斜立面的利用，扭轉體型的應用，雙曲線圓筒的應用，加大房屋等有效寬度。

3.8減輕房屋自重

在高層地上部分的總重之中，各層樓蓋的自重越占40%左右，所以可通過采用密肋樓板、無粘結預應離平板，預制多孔板，現澆多孔板、應用防火隔熱涂料等方法減輕樓板重量。鋼筋混凝土墻體較多的高層結構中，應在滿足承載力要求的前提下，適當減薄墻體。使用高強混凝土、輕骨料混凝土、加氣混凝土、輕型隔墻、輕型圍護墻等措施也是減輕房屋自重的有效途徑。

4結語

未來，隨著城市人口的逐漸增多，建筑用地的日益減少，城市高層建筑必定會成為人們最佳選擇。而保證高層建筑結構的安全性、特別是要保證建筑結構的抗震強度是十分重要的。而高層建筑結構的抗震設計就逐漸成為建筑工程設計的重中之重。加強高層建筑的抗震設計的理念和實踐的創新，保證建筑結構的安全性，是建筑結構設計的關鍵點之一，也是促使高層建筑物持續發展的重要條件。

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