任曉麗 崔仲和

摘 要：隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展和社會不斷進步，建筑物的高度越來越高，體型越來越復(fù)雜，如何提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能已經(jīng)成為建筑設(shè)計的研究重點，本文重點介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則和基本方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目標

我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提出三個水準的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。具體設(shè)計過程中是通過二階段設(shè)計方法來實現(xiàn)。

第一階段設(shè)計，按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，以及在小震作用下驗算結(jié)構(gòu)的彈性變形；第二階段設(shè)計，在大震作用下驗算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，以滿足第三水準抗震設(shè)防目標的要求。第二水準抗震設(shè)防目標是以抗震構(gòu)造措施來保證的。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的原則

1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能；結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件，強底層柱（墻）的原則，對結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位采取提高抗震能力的措施。

2、盡可能設(shè)置多道抗震防線；一個抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作，強烈地震之后往往伴隨多次余震，如果只設(shè)一道防線，結(jié)構(gòu)在第一次破壞之后再遭受余震，將會因為損傷積累而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。

3、適當處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強弱關(guān)系；在抗震設(shè)計中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計較強，會造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對薄弱，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，使有效屈服保持較長階段，保證結(jié)構(gòu)延性。在抗震設(shè)計中應(yīng)控制薄弱層，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

抗震措施

在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，除了要考慮概念設(shè)計，結(jié)構(gòu)抗震驗算外，歷次地震后在限制建筑提高結(jié)構(gòu)延性方面總結(jié)的經(jīng)驗也至關(guān)重要。當前，在抗震設(shè)計中從概念設(shè)計，抗震驗算，構(gòu)造措施三方面入手建立設(shè)計地震力與結(jié)構(gòu)延性要求相互影響的雙重設(shè)計指標和方法，并通過一些結(jié)構(gòu)措施如隔震措施。效能減震措施等來減少結(jié)構(gòu)上的地震作用，使建筑結(jié)構(gòu)在地震中保持良好的抗震性能。目前，強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件在提高結(jié)構(gòu)延性方面的作用已得到普遍認可。

高層建筑抗震方法

針對高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，分別從以下幾個方面考慮抗震設(shè)計：

地基選擇：高層建筑應(yīng)該選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或者密實均勻的中硬土場地，遠離河岸，避開不利地形，避免在斷層，山崖，滑坡，地陷等抗震危險地段建造高層建筑。

有利的房屋體型：一棟房屋的動力特性基本取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就從根本上保證了結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。抗震性能良好的房屋具有一下特點：平面形狀簡單對稱，立面變化均勻，房屋高度合適，房屋高寬比適中，基礎(chǔ)埋深滿足要求，防震縫設(shè)置合理。

合理的結(jié)構(gòu)布置：高層建筑結(jié)構(gòu)平面宜簡單規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，避免結(jié)構(gòu)因為質(zhì)心和剛心不重合導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動明顯，甚至導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)因為一側(cè)結(jié)構(gòu)失效而倒塌。結(jié)構(gòu)豎向體型宜規(guī)則均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐步均勻變化。避免因存在薄弱樓層導(dǎo)致層間位移加大而危及整個結(jié)構(gòu)安全。

控制結(jié)構(gòu)變形：地震時建筑物的破壞程度主要取決于主體結(jié)構(gòu)變形的大小。水平地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)各樓層的側(cè)移主要包含四種，整體剪切變形，整體彎曲變形，整體平移，整體轉(zhuǎn)動。對于不同的的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采取不同措施來控制結(jié)構(gòu)的變形。減小結(jié)構(gòu)側(cè)移的途徑主要有：減小框架的柱距和梁的跨度，采用彎-剪雙重抗側(cè)力體系，設(shè)置剛臂，豎向支撐的交錯布置，變平面構(gòu)件為立體構(gòu)件，圍護結(jié)構(gòu)參與抗震，傾斜立面和扭轉(zhuǎn)體型的利用，加大房屋等效寬度等。

確保結(jié)構(gòu)的整體性：地震中，導(dǎo)致房屋破壞的因素有一下三種類型：結(jié)構(gòu)喪失整體性，構(gòu)件強度不足，地基不均勻沉陷。其中第一種后果最為嚴重。為了加強結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性，保證構(gòu)件間的可靠連接，提高結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的未來發(fā)展趨勢

1、動力時程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法

動力時程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法是把現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間理論應(yīng)用到高層建筑結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題中，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力方程，引入速度與位移為為狀態(tài)變量，導(dǎo)出狀態(tài)方程，給出非齊次方程的解，進而建立狀態(tài)空間迭代計算格式。經(jīng)過工程實例驗算，動力時程響應(yīng)分析的狀態(tài)空間迭代法對多自由度體系的多輸入、多輸出問題的動力響應(yīng)解法效率較高，具有比較高的精度。

基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是一種全新概念的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，它要求進行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形能力滿足在預(yù)期的地震作用下的變形要求。除了驗算構(gòu)件的承載力外，還要控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限制或位移延性比。

基于位移的抗震設(shè)計第一步首先要研究簡單結(jié)構(gòu)的構(gòu)件變形與配筋關(guān)系，實現(xiàn)按變形要求進行構(gòu)件設(shè)計，進而研究整個結(jié)構(gòu)進入彈塑性后的變形與構(gòu)件變形之間的關(guān)系，基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展趨勢。

材料參數(shù)隨機性的抗震模糊可靠度分析

材料參數(shù)隨機性的抗震模糊可靠度分析綜合考慮了地震烈度的隨機性及模糊性、烈度等級界限的隨機性與模糊性、對結(jié)構(gòu)抗震可靠度影響的材料參數(shù)變異性，改變了過去對結(jié)構(gòu)可靠度的研究只是單純考慮荷載的不確定性而忽略了其他不確定性因素。材料參數(shù)隨機性的抗震模糊可靠度分析的研究成果可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計并對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進行抗震可靠度評估。

隔震和消能減震設(shè)計的推廣和應(yīng)用

目前，世界各國普遍采用的傳統(tǒng)抗震體系只是適當控制結(jié)構(gòu)的剛度，但是容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時進入非彈性狀態(tài)，這種抗震體系也稱“延性結(jié)構(gòu)體系”，這種體系具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，但是在很多情況延性結(jié)構(gòu)體系具有一定的局限性。隨著社會的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和理論越來越難以滿足要求，而由于隔震和效能減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系難以比擬的優(yōu)越性，在未來的建筑結(jié)構(gòu)中將得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)束語

地震是一種隨機振動，具有難于把握的復(fù)雜性和不確定性，很難準確預(yù)測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)。經(jīng)濟和安全是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要因素，隨著社會進步和建筑業(yè)的發(fā)展，對建筑的抗震設(shè)計要求也越來越高，如何從我國高層建筑抗震設(shè)計現(xiàn)狀出發(fā)，探求一種實用可行的抗震設(shè)計方法已經(jīng)成為地震區(qū)高層建筑發(fā)展的新方向。