摘要：在高層建筑設(shè)計中，抗震設(shè)計是必不可少的一個環(huán)節(jié)。隨著社會及經(jīng)濟的迅速發(fā)展，高層建筑越來越被廣泛應(yīng)用。本文介紹了高層建筑的結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計要點，分析了各種結(jié)構(gòu)形式的抗震效果并在此基礎(chǔ)之上闡述結(jié)構(gòu)設(shè)計中體系的選擇，闡述了高層建筑抗震設(shè)計思想和原則，探討了抗震設(shè)計中的細節(jié)及抗震材料。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計；結(jié)構(gòu)體系

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高層建筑也越來越多，在這種情況下必須做好抗震設(shè)計。設(shè)計人員在高層建筑抗震設(shè)計中，都是按照抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行的，他們希望設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠達到強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，為此從結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計一開始，就運用人們對建筑結(jié)構(gòu)抗震己有的正確知識去處理好結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的諸如房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布，構(gòu)件延性等問題，從宏觀原則上進行評價、鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計算和構(gòu)造措施，從而消除建筑物抗震的薄弱環(huán)節(jié)，以達到合理抗震設(shè)計的目的。

1、高層建筑抗震設(shè)計特點

1.1控制建筑物的側(cè)移是重要的指標。在地震荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力占主導(dǎo)地位，所以建筑物會產(chǎn)生明顯的側(cè)移，隨建筑結(jié)構(gòu)的高度不斷曾加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移迅速增大，但該變形要在一定限度之內(nèi)，這樣才能保證結(jié)構(gòu)安全以及使用功能。

1.2地震荷載中的水平荷載是決定因素。水平荷載會使建筑物產(chǎn)生傾覆力矩，并且在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件中引起很大的軸力，這些都與建筑物高度的兩次方成正比，故隨建筑結(jié)構(gòu)高度的曾加，水平載荷大相徑庭。對高度一定的建筑物而言，豎向荷載基本上是不變的，但是隨著建筑物的質(zhì)量、剛度等動力特性的不同，水平地震荷載和風荷載的變化是比較大的。

1.3要重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計。高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加，剛度減小，顯得更柔，在地震荷載作用下變形較大。這就要求建筑結(jié)構(gòu)要有足夠的變形能力，使結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段仍然安全，需要在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取有利的措施，使得建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

2、高層建筑抗震概念設(shè)計的基本要點

2.1選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計時，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計的結(jié)構(gòu)既要考慮其抗震安全性，也要盡可能的經(jīng)濟。結(jié)構(gòu)應(yīng)布置多道抗震防線，避免部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力。此外，結(jié)構(gòu)

應(yīng)擁有良好的整體性和變形能力，使結(jié)構(gòu)的強度、剛度和變形能力三者達到統(tǒng)一。

2.2建筑布置宜規(guī)則

高層建筑應(yīng)重視體形和結(jié)構(gòu)的總體布置。由于建筑體形不合理或結(jié)構(gòu)總體布置不合理而造成的地震災(zāi)害，在國內(nèi)外的大地震中都有所見。抗震設(shè)計選擇的建筑平面和立面布置宜對稱、規(guī)則，避免采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免有剛度和承載力突然變小的樓層，造成薄弱層的出現(xiàn)，地震時該部分容易破壞。

2.3選擇合理的結(jié)構(gòu)計算簡圖和地震作用傳遞途徑

目前大多數(shù)高層建筑都可以利用計算機進行程序運算，為保證計算結(jié)構(gòu)的可靠性，要求工程設(shè)計人員要熟練掌握結(jié)構(gòu)的簡化計算方法，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的計算見圖，結(jié)構(gòu)在地震作用下的傳力途徑要簡單、直接，利用合理的力

學模型和數(shù)學模型獲得更為符合實際的抗震驗算結(jié)果。

2.4選擇有利于抗震的場地和地基

高層建筑設(shè)計中要選擇對建筑抗震有利的地段，避開對建筑抗震不利的地段。當無法避開時，應(yīng)當采取適當?shù)目拐鸫胧粦?yīng)在危險地段上建造高層建筑。此外，設(shè)計前應(yīng)估算建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，并與場地卓越周期錯開，防止地震

時結(jié)構(gòu)發(fā)生類共振現(xiàn)象的破壞。

3、結(jié)構(gòu)體系的合理選擇

地震對建筑物的傷害主要是水平地震力所造成的剪切破壞，所以根據(jù)結(jié)構(gòu)體系對抗側(cè)力能力的不同，鋼筋砼結(jié)構(gòu)主要可分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等，這也是我國高層建筑長采用的結(jié)構(gòu)形式。由于這些體系的結(jié)構(gòu)形式、抵抗水平力的能力有所區(qū)別，尤其是對地震反映大不相同，因此它們適用于不同的場合。

3.1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)由框架梁、柱構(gòu)件組成。其特點是柱網(wǎng)布置靈活，便于獲得較大的使用空間?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的框架梁和柱既承受豎向荷載，又承受水平荷載。當建筑物高度較低、層數(shù)相對較少時，其水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響不大，這時采用框架結(jié)構(gòu)還是比較合適的，既滿足受力要求，也提供了很大的使用空間。但框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度很小，隨著建筑物高度的曾加，框架結(jié)構(gòu)水平荷載分布呈現(xiàn)出不均勻的現(xiàn)象，有的樓層相對薄弱，很容易屈服。地震荷載對柱子的破壞作用要相對強烈，而對梁的破壞相對較輕，而柱子頂端的破壞比底端要嚴重，特別是對角柱和邊柱來說破壞更加嚴重。短柱的剪跨比較小，發(fā)生柱中剪切破壞幾率較大，對一般的柱而言，發(fā)生的是柱端彎曲破壞。故框架結(jié)構(gòu)在很高的建筑中應(yīng)用的不多，尤其是是采用砌體填充墻時，地震荷載作用下填充墻破壞嚴重，

修復(fù)費用很高。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻由縱、橫方向的墻體組成的抗側(cè)力體系，屬于以彎曲變形為主的結(jié)構(gòu)體系。該體系的特點是，側(cè)向剛度比較大，抗側(cè)移能力明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)，而且整體性好，有利于結(jié)構(gòu)整體受力。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)可以用于比較高層住宅，性能穩(wěn)定。但是剪力墻結(jié)構(gòu)也有其自身的缺點。從動力學角度來看，剛度越大周期越短，動力反映就會越強烈，即使建筑結(jié)構(gòu)抗力滿足要求，建筑內(nèi)設(shè)備會產(chǎn)生嚴重破壞；除此之外，剪力墻結(jié)構(gòu)有大量的墻體結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼而使得自重大，對建筑平面設(shè)計產(chǎn)生很大局限，很難提供足夠大的空間。所以，剪力墻結(jié)構(gòu)主要用于高層建筑并且對建筑空間要求不大的結(jié)構(gòu)中。

3.4 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)包括框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)與筒中筒結(jié)構(gòu)框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)有外框架和內(nèi)部核心筒組成。內(nèi)部核心筒具有很大的剛度，很好的滿足側(cè)向變形和結(jié)構(gòu)強度要求；外部框架可以提供大空間來滿足建筑布置上對空間的要求。而筒中筒結(jié)構(gòu)是由薄壁的內(nèi)筒與密柱的外框筒組成，筒中筒結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是具有比剪力墻結(jié)構(gòu)更大的側(cè)向剛度，抗側(cè)移性能更好，所以，適用于超高層建筑。

每種建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和適用的范圍都不相同，并且高度不同采用的抗震等級也不盡相同，具體見表 1 所示。

4、高層建筑抗震設(shè)計中材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。中國 150 m以上的建筑，采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系（框—筒、筒中筒和框架—支撐體系），都是其他國家高層建筑采用的主要體系。中國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了 90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗。在高層建筑中采用框架—核心筒體系，因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業(yè)主所看中?；旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)簡往往要承受 80%以上的震層剪力，有的高達 90%以上。

由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負擔，且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實現(xiàn)強柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強層及轉(zhuǎn)換層時，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。在高層建筑中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選。

現(xiàn)在我國鋼材生產(chǎn)數(shù)量已較大，建筑鋼材的類型及品種也在逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5、地震作用下高層建筑動力時程分析算例

有一高層建筑高 250m，共 60 層。本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計施工圖建立了質(zhì)量串有限元數(shù)學模型（如圖 1），其中各樓層用三維質(zhì)量單元進行模擬，而柱、剪力墻等豎向承重構(gòu)件用梁單元進行模擬。利用有限元動力特性分析模塊計算的結(jié)

構(gòu) X 向前兩階振型分別是 0.154Hz 和 0.470Hz，Y 向前兩階振型分別是 0.153Hz 和 0.461Hz[5]。本文計算選用的地震波為隨機生成的地震加速度模擬數(shù)據(jù)（如圖 2 所示），經(jīng)瞬態(tài)動力分析計算得到的結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng)如圖 3 所示。由圖可知，盡管輸入的地震波幅值較小，但由于結(jié)構(gòu)的動力放大效應(yīng)，仍然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上部出現(xiàn)了較大的動力響應(yīng)。

6、結(jié)論

隨著社會的發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的創(chuàng)新及施工技術(shù)的進步，促使高層建筑往更高的方向發(fā)展，其在地震作用下的安全性也變的尤為重要。但由于高層建筑抗震設(shè)計屬于繁重而復(fù)雜的過程，設(shè)計時一定要從概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)體系兩個方向同時入手，從而獲得即經(jīng)濟又安全可靠的設(shè)計結(jié)果。