浅谈对高层建筑结构抗震概念设计的几点认识

冯啸虎廖建英

（1.广西壮族自治区城乡规划设计院广西　南宁市　5300222.广西建筑工程质量检测中心　广西　南宁市　530000）

浅谈对高层建筑结构抗震概念设计的几点认识

冯啸虎1廖建英2

（1.广西壮族自治区城乡规划设计院广西南宁市5300222.广西建筑工程质量检测中心广西南宁市530000）

就我国地理位置来看，属于多地震的国家，因此在高层建筑过程中必须充分考虑建筑物抗震需要。因为地震具备不确定性与复杂性，所以在地震规律性方面比较难以把握，这就需要高层建筑的结构设计过程中合理应用抗震的概念设计。本文就抗震概念设计的特点进行分析，探讨抗震概念设计中的有效措施，使得高层建筑不会因为地震而受到严重毁坏。

高层建筑结构；抗震概念；设计

1　前言

自从改革开放来我国综合国力有了显著提高，相关建筑业相继取得较好的成绩，并成为当下社会中的一个重要支柱产业。因为我国人口众多，土地资源比较宝贵，因此需要合理应用土地来实施建筑，其中高层建筑则使得土地资源可以高效利用，再加上计算机设计技术的普及，现代高层建筑发展越来越快。同时由于国内外不断加快的城市化建设进程，导致人口增多地价不断上涨，高层建筑的发展成了必然趋势。而高层建筑的设计人员需要全方面认识高层建筑的结构体系与特点，唯有如此，才可以让建筑设计质量得到保证。

2　关于高层建筑的结构抗震概念设计特点

2.1高层建筑的结构抗震要求比较高，其中延性是结构设计重要的指标

由于高层建筑的结构抗震设计不只需要考虑使用过程中竖向风荷载与横向风荷载，还需要使建筑结构具备较好的防震性，尽可能让高层建筑物不会因为地震受到较大的影响。其中建筑结构抗震的性能主要受耗散和能量吸收能力大小的影响，也就是直接受结构延性大小影响。而延性主要表示结构与构件屈服以后，其承载力不会降低，并具备可塑性的能力。一般情况下通过μ系数衡量延性大小，而μ等于△u/△y，具体变化从图1中可以看出。

图1

2.2结构的材料

通常为让建筑结构设计具备较好防震性，相关设计者对建筑结构体系与形式进行研究的过程中，还要充分了解施工材料抗震的性能，这就可以按照实际的情况，选择经济适用以及能够抗震的材料。同时选择抗震结构的材料过程中，需要高度重视抗震结构的材料性能，其中要求包含以下几个方面：延性的系数比较高、连接性要比较好以及将材料强度充分发挥出来等，根据这些标准衡量可以得出，在高层建筑的建筑过程中不同材料抗震性也存在差异，具体次序是钢结构→型钢的混凝土→钢-混凝土混合的结构→钢筋的混凝土现浇结构→混凝土的预应力结构→装配钢筋混凝土的结构→配筋的砌体结构。

2.3关于多道抗震的设防体系

关于高层建筑结构抗震设计过程中，不管选取什么样的建筑材料，设置抗震防线都是必不可少的一个步骤。一般情况下每次地震发生时间都存在差异，地震发生时间如果较长，连续强脉冲就会在高层建筑中出现重复冲击作用力，也就产生累积破坏。高层建筑结构如果利用单结构的体系，设置一道防震的防线，只要出现初次破坏，随之出现的地震就容易造成建筑物的毁坏。因此高层建筑结构只要设置多道防震的体系，即便第一道的防线毁坏，后面的各道防线也会保护建筑物[1]。

2.4布置结构

在高层建筑的平面结构布置过程中，需要对称分布抗侧力的体系，降低房屋重量并使得重量可以均匀的分布，这样能够有效降低地震扭转的影响。此外，布置结构主要是为了提升抗颠覆的能力与增强抗扭的刚度，因此需要高度重视较大抗侧刚度芯筒与抗震墙具体位置，以免产生薄弱层，还要尽量将房屋重心降低。地震发生时，由于首道防线会受到破坏或者是先行屈服，这就需要首道防线构成部分应该在少负担或者是不负担竖向的荷载构件，例如：筒体、填充墙与抗震墙等。纯框架的结构中，房梁要先于柱进行区服，也就是强柱弱梁的框架。其中建筑结构变形与承载能力会因为构件变形与承载能力发挥情况而受到影响，这就要求确保关键部位与构件具备足够延性水平与适当强度。而平面设计上，需要提高复杂平面的各翼交接处、房屋周边的转角处与平面的突变处各个构件的延性，而一些较为偏离的结构，则要增强房屋周边较弱构件延性，具备多道防震防线抗侧力的体系，需要将第一道的防线构件延性提高，同一个构件中，还要关注关键杆件延性的加强。

3　关于高层建筑的结构抗震概念设计措施

3.1延性和刚度要合理的匹配

高层建筑的结构设计过程中，政府已经出台了相关规范，由于高层建筑的高度较高与层数比较多，为了确保高层建筑的结构具备必要刚度，需要严格控制层间的位移，也就是对刚度大小与构件截面的大小相对指标进行控制。此外高层建筑结构抗震性会受到抗侧强度的影响，设计高层建筑结构比较柔还是比较刚，取决于设计人员，而场地卓越周期要和刚度决定结构的自振周期相互避开，避免出现类共振的现象，致使建筑物倒塌与破坏。因为高层建筑在地震地面的运动反应属于动力的反应，因此设计结构体系与建筑时需要充分了解地震波频谱成分和覆盖层的厚度间动力效应的关系、结构体系基本的周期以及场地软硬的程度，以免建筑结构出现二重类或是单重共振导致严重毁坏。

其中建筑的类共振毁坏问题过去在墨西哥已经受到工程界重视，主要原因就是，墨西哥地势低洼、土质厚度大且比较松软，场地的卓越周期比较长，周期范围比较接近二十层高层建筑周期，也就导致严重的震害，因此设计建筑方案过程中，需要对卓越周期进行预估，然后调整结构层数，选取适合结构体系与类别，让建筑基本周期可以有效避开场地卓越的周期。通常情况下，部分地区因为地质比较好，其基岩深埋比较浅，加之高层建筑基本使用桩基础实施建筑，建筑物具备一到两层地下室，而持力层一般处于中间位置，地基特征的周期值比较小，在以上条件下，关于高层建筑抗侧高度通常能设计得比较柔软，通过结构极限变形的能力来作为具体控制值。同时满足变形限值前提下，高层建筑结构刚度要控制在适当范围，这样不仅可以降低地震的作用，还可以减小建筑物出现共振可能性，还能达到经济的目的。

从许多工程实践中可以看出，硬场地上建设的建筑物能够控制变形，既经济又安全。其中高层建筑结构抗震能力一般通过变形能力与承载能力共同决定，建筑物承载能力低，一般延性结构就会相对比较大，可以吸收较多能量，损坏虽然发生的比较早，但是可以经受较大变形，不容易出现倒塌[2]。

3.2高层建筑结构布置需要规则并简单

高层建筑结构设计过程中，结构布置要尽可能的简单，结构布置只有简单才可以准确分析位移、计算模型与内力，薄弱部位出现闲置也比较容易把握，这样高层建筑结构的抗震性能也相对可靠。同时建筑平面比较规则、均匀布置结构。能够有效预防薄弱子结构的过早倒塌与破坏，能使地质的作用重新分布在各个子结构间，也就增加了结构赘余度的数量，并充分发挥建筑结构将地震作用耗散的作用。此外沿高层建筑的竖向，结构与建筑造型基本都是均匀布置，以免出现传力途径、刚度与承载力突变现象，这样也限制了结构在部分楼层或者是特定楼层产生敏感薄弱的部位。平面布置建筑结构过程中，尽可能保证抗侧力的构建均匀对称布置，唯有如此才不会导致结构刚度中心与质量中心存在偏离，进而规避地震过程中出现扭转附加的破坏。

曾经发生于南美洲的马那瓜的地震，两栋相邻的高层建筑震害的差异性主要是因为抗侧力没有对称的分布而导致附加震害典型的案例，而十五层中央银行则是由于没有对称分布抗侧力的构件而出现倒塌，其中使用外框内筒对称结构的十八层美洲银行则只有轻微的破坏。此外日本阪神的地震过程中，因为没有对称布置的填充墙或者是结构构件的不对称布置而导致附加结构扭转破坏，且在临街的建筑震害中比较严重，临街建筑特点一般是沿街设置橱窗，其背面是实体墙，因此房屋纵向质量中心和刚度中心具有很大的偏离，这种使得建筑物在地震中容易倒塌。

4　结语

总而言之，设计高层建筑的结构过程中，相关的设计人员需要充分运用与掌握概念设计，把高层建筑结构概念设计贯彻落实到建筑结构设计的过程中，整个设计过程中既要充分考虑各种因素，又要全方面把握设计大原则。只有这样才可以确保设计严谨性与科学性，进而给社会创造高标准的工程。

[1]华颖.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].规划与设计，2013，23（06）：27～28.

[2]张念华.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].工程技术，2014，34（02）：78～79.

TU973+.31

A

1673-0038（2015）30-0045-02

2015-6-20

冯啸虎（1980-），男，工程师，本科，毕业于广西大学，土木工程专业，主要从事结构设计方面的工作。

廖建英（1979-），女，工程师，本科，毕业于重庆大学，土木工程专业，主要从事质量体系管理方面的工作。