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【摘 要】高層建筑抗震工作一直是建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。本文介紹了高層建筑抗震設(shè)計(jì)的基本原則，具體分析了高層建筑的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；要點(diǎn)

Analysis on Key Points of Seismic Design of High - rise Buildings

Zhang Xin

（Shenzhen Warner International Architectural Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】High-rise building seismic work has always been the focus of architectural design and construction. This paper introduces the basic principles of seismic design of high - rise buildings， and analyzes the seismic design of high - rise buildings in detail.

【Key words】High - rise building；Seismic design

抗震設(shè)計(jì)是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)的總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過(guò)程，是結(jié)構(gòu)工程師運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析，做出判斷，并采取的相應(yīng)措施，是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員從宏觀上、總體上和原則上去決策和確定高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些最基本、最關(guān)鍵的問(wèn)題。高層建筑抗震工作一直是建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)，應(yīng)對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的分析，探索高層建筑的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從而采取必須的抗震措施。

1. 高層建筑抗設(shè)計(jì)的基本原則

1.1 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。

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（墻）”的原則。

（2）對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。

（3）承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

1.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線。

（1）一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)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。例如框架——剪力墻結(jié)構(gòu)由延性框架和剪力墻兩個(gè)分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。（2）強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。（3）適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，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(zhǎng)階段，保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。（4）在抗震設(shè)計(jì)中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng)，可能造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對(duì)薄弱，因此在設(shè)計(jì)中不合理的加強(qiáng)以及在施工中以大帶小，改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋的做法，都需要慎重考慮。

1.3 對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力。

（1）構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，構(gòu)件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。（2）要使樓層（部位）的實(shí)際承載能力和設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性受力的比值在總體上保持一個(gè)相對(duì)均勻的變化，一旦樓層（部位）的比值有突變時(shí)，會(huì)由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。（3）要防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。（4）在抗震設(shè)計(jì)中有意識(shí)、有目的地控制薄弱層（部位），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。

2. 高層建筑抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既要考慮其抗震安全性，也要盡可能的經(jīng)濟(jì)。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(gè)體系喪失抗震能力或喪失對(duì)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(qiáng)度、剛度和變形能力三者達(dá)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(guó)內(nèi)外的大地震中都有所見(jiàn)?？拐鹪O(shè)計(jì)選擇的建筑平面和立面布置宜對(duì)稱、規(guī)則，避免采用嚴(yán)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(qiáng)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(shí)該部分容易破壞。

2.3 選擇合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行程序運(yùn)算，為保證計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠性，要求工程設(shè)計(jì)人員要熟練掌握結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的計(jì)算見(jiàn)圖，結(jié)構(gòu)在地震作用下的傳力途徑要簡(jiǎn)單、直接，利用合理的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型獲得更為符合實(shí)際的抗震驗(yàn)算結(jié)果。

2.4 選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。

高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來(lái)自任何方向，當(dāng)為均布荷載時(shí)，彎矩與建筑物高度呈二次方變化從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當(dāng)為均布荷載時(shí)，側(cè)移與高度成四次方變化由此可以看出，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。高層建筑有上述的受力特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)類型，使之在特定的物資和技術(shù)條件下，具有良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結(jié)構(gòu)類型主要有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有整體自重輕，強(qiáng)度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面相對(duì)較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較長(zhǎng)時(shí)，易發(fā)生共振與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，空間整體性好，造價(jià)低及材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)各類建筑的要求在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其突出缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長(zhǎng)，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較短時(shí)易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用何種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)取決于所有結(jié)構(gòu)體系和材料特性，同時(shí)取決于場(chǎng)地土的類型，避免場(chǎng)地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴(yán)重。

2.5 選擇有利于抗震的場(chǎng)地和地基。

高層建筑設(shè)計(jì)中要選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，避開(kāi)對(duì)建筑抗震不利的地段。當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧粦?yīng)在危險(xiǎn)地段上建造高層建筑。此外，設(shè)計(jì)前應(yīng)估算建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，并與場(chǎng)地卓越周期錯(cuò)開(kāi)，防止地震時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生類共振現(xiàn)象的破壞。隨著社會(huì)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新及施工技術(shù)的進(jìn)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(jì)屬于繁重而復(fù)雜的過(guò)程，設(shè)計(jì)時(shí)一定要從從抗震設(shè)計(jì)的基本原則、計(jì)算方法、理論分析及設(shè)計(jì)分析四個(gè)方向入手，從而獲得即經(jīng)濟(jì)又安全可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.6 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（1）由于高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能通過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì)，使建筑物達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒為了達(dá)到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來(lái)吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。

（2）框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長(zhǎng)越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。