高层建筑结构抗震设计探讨

摘要:随着经济建设的快速发展，城市建筑的高度越来越高，体型变得更加复杂，同时建筑的抗震设计也显得更加重要和复杂。本文对高层建筑结构抗震设计进行探讨，重点分析了建筑抗震设计方法以及隔震结构设计，确保建筑的抗震效果。
关键词:高层建筑；抗震设计；隔震结构设计；应力；基础
我国是遭受地震灾害较为严重的国家之一，在汶川大地震之后，地震灾害引起了人们的广泛关注。随着社会经济的发展，城市建筑建筑的高度越来越高,体型变得更加复杂,抗震设计也变得愈加困难。“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计理念是得到普遍认可的，在这种情况下，如何做好建筑的抗震设计是工程设计的重要话题。
1荷载与应力分析
1.1荷载与外力的种类
建筑的荷载指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素，分为竖向荷载，以及水平荷载。此外，又分类为经常作用于建筑上的力，以及临时作用于建筑物上的力(临时荷载)。在结构设计上，因固定荷载产生的长期应力，以及在固定荷载上再加上临时荷载时，视作短期产生的应力。对于在结构支承上的主要部分所施加的长期与短期的应力值，必须确定它们不得超过各容许应力值。
1.2荷载与结构因素
刚接乃指构件与构件之节点上的角度，即使受到外力使钢架产生变形之后，其角度仍然不会产生变化的连接形式。而框架结构则是指各节点的构件由刚接而成的构架。在对应于竖向荷载的结构方式上，比框架结构更能够加长跨距，或降低框架的重量。在对应于水平荷载方面的构件上来说，若与框架结构相比，由于能够加强水平荷载，于是就被当作补强框架结构的抗震要素来使用。
1.3连接点的种类
在建筑结构上，支点与节点都是的重要连接点，我们把连接建筑地基与其他结构体的接点称作支点，而把两支以上之构件的交点就称作节点。当构件上有外力作用时，在支点上产生反力的构件会维持静止状态。支点上所产生之反力的数量，会因支承方式而有差异，移动端在垂直于移动方向的方向上出现一个反力，回转端在直交方向上出现两个反力，固定端在直交的两个方向与固定端弯矩的一个方向上产生反力。
1.4应力与变形
轴方向力是当外力作用于材轴方向时的应力，若在任意点上相互产生拉力时就称作拉力，相互产生压缩时就称作压力。剪力则是指外力想要从构件轴线呈垂直方向切断构件之时，在任意点上产生之一对应力。弯矩是指外力想要对于构件产生弯曲作用时而在任意点上产生之一对弯矩。屈曲是指外力持续增加时的某一时刻急遽产生变形的现象。
2 基础结构种类及施工方法
基础的作用，乃是针对作用于建筑物的力，避免建筑物横向移动、下陷，或浮起，在地基上坚固地支持建筑物。为了支承建筑物，基础必须由拥有足够支承力的坚固地基去支承。至于将支承地基设置于哪一个地层中，是基础设计时的非常重要问题。另一方面，当结构体基础的下沉量不均匀，且因位置不同下沉量出现差异时，就称不均匀下沉。若发生不均匀下沉时，结构体就会倾斜，或在结构体重发生龟裂。
3 抗震设计
地震是难以预测以及精确计算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的坚固度，以及建筑物固有的周期而异。地震作用的大小被评估为静态的水平力，通常都会随着建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就会变小。对于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，会与其刚度成正比。
3.1施加于建筑物的地震作用
由震源传来的地震波，当地表附近的地基越软弱时就越会增强，而且随着建筑物增高及固有周期变长时，摇动的力就变小，而且越到建筑物的上方楼层，摇动的力(加速度)就有变大的倾向。基于这些因素的考虑，定出施加于建筑物的地震作用，这被当作施加于建筑物各楼层的水平力来评估。
3.2抗震因素的配置
毫无疑问，建筑物会从各方向承受地震作用，如果将整体建筑物当作是二维框架的集合体去考虑力的传递就容易使人理解。与地震作用的水平方向平行的框架负担着水平力，各层柱子与抗震墙等则按刚度比例负担地震作用。
3.3构架的变形抵抗
对结构体施加水平力时，若超过其支承的弹性限度，变形就会急遽地增加，达到最大强度。在设计时，对于频度高的地震，通常都停留在支承力的弹性极限以下，大地震时则不要超过其最大强度。
3.4构件的强度与韧性关系
强度大的抗震因素不需要韧性。墙壁与斜撑的韧性较小，框架构架的韧性较大。
3.5抗震因素平面上的平衡
抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用时容易产生伴随扭力回转的变形，刚性弱的部分就会产生很大的变形，使该部分的破坏有增大之虞。由于地震作用是属于惯性力，因此力的作用中心要与重心一致。所谓的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心与抗震因素之刚度的中心(被称作刚心)必须一致。即使平面上的刚性(框架的刚度)一致的建筑物，当它向后退缩时，由于下方楼层的重心会从中心偏离，将会产生失稳。此外，如抗震墙与钢骨框架之类的刚度大的抗震因素呈偏心配置的建筑物，就容易产生失稳。
3.6抗震因素之剖面上的平衡
当抗震因素的刚度在上下方向不均匀，且硬楼层部与软楼层部混合在一起时，地震作用就会集中于软楼层部，使该楼层部分承受的力及变形变大，会有增大破坏之虞。尤其是二楼以上的部分墙壁多且一楼没有墙壁的建筑物，称作悬挑建筑物，有许多在地震时会发生一楼瓦解的破坏。建筑物由几种构架构成，且各种构架的上下方向能够采取平衡时则很理想，而以各层之框架的刚度总和采取平衡亦可。
4 隔震结构设计
一般的建筑物是由建筑物整体吸收地震动的振动能量。大地震时，会在大梁与柱子上发生损伤，并且有损坏建筑物功能之虞。另一方面，隔震结构的建筑物则是在建筑物下方设置一种地震时比其他层产生更大水平变形的“隔震层”，使得上层建筑物不容易与地基共振，同时集中吸收振动能量。由于振动能量不容易传递到上方建筑物，于是就降低大地震时产生损伤的可能性。这不仅能保护建筑物使用者的生命，也能够使功能的维持以及收藏物的保护变得可能，也可缓和地震时的恐怖感。隔震层采用即使发生50mm~60cm之水平变形也无妨的构造。
4.1构成隔震层的隔震构件
（1）铅制缓冲构件：利用高纯度的铅材料的塑性变形而制成的铅缓冲器。除此之外，尚有利用摩擦原理的缓冲器，利用油通过小孔时的阻抗而成的缓冲器，以及利用黏滞体的剪断阻抗原理而制成的缓冲器等。
（2）叠层橡胶：为了支承上方的建筑物，以及为了避免与地基共振，需要垂直方向坚硬，但水平方向柔软的支座。叠层橡胶是将厚度数毫米的橡胶与钢板交互重叠接合，施加热与压力，发挥橡胶特有的弹性，就能够满足这个条件。
（3）钢制缓冲构件：在隔震层吸收振动能量，担任衰减振动的作用而制成的缓冲构件。由于隔震层在水平方向产生很大的变形，因此根据变形状况，采用将振动能量消耗的机制方为合理。
钢条缓冲构件是利用钢料的塑性变形。
4.2地震时建筑物摇动的比较
（1）隔震结构的建筑物：由于隔震层在水平方向极为柔软，于是地震时的大部分变形都集中在隔震层上。可缓和上部结构的摇动，也不容易引起家具的倾倒及外墙的剥离，而且几乎不会发生柱子与梁的损伤。适用于步行困难者利用的设施。
（2）一般的建筑物：一般的建筑物在地震时会将振动传递到整个建筑物，于是家具就会倾倒、外墙剥离，而且柱子与梁也产生损伤，各个楼层发生几乎相同程度的变形。
（3）部分楼层柔软的建筑物：如一楼挑空、二楼以上墙壁多的建筑物，当某一楼层比其他楼层柔软时，地震时的变形就集中于柔软的楼层，因此会有崩塌之虞。崩塌之楼层会出现极大的损害，纵然其他楼层的破坏较少，但是建筑物却变得无法使用。
4.3隔震层的位置
根据建筑物的功能与结构性质去选择隔震层的位置。基础的隔震需要基坑，但是其与非隔震层部分之间的衔接，采用最低限度，就能够给建筑物整体带来隔震的效果。中间隔震层的电梯与楼梯的连接困难，适用于地下楼层多的情况，或无法设置基坑的情况时，还有地震时上方楼层比特定楼层更容易振动的构造的情况时。这类情况之下，隔震构件需要防火包覆。
4.4隔震构件的能力与特性
大变形时的垂直支承能力：隔震构件要求即使在大变形时也能够确实支承建筑物的质量。叠层橡胶需要设计成当最大变形发生时重叠部分不得小于直径1／2以下的尺寸。采用直径小的叠层橡胶时，必须采用在大变形时可支承建筑物之质量的构造。
5 结束语
目前，建筑业发展迅速，高层建筑也不断增加，对建筑的抗震设计的要求越来越高。建筑的抗震设计方案要根据建筑物体型、结构特点、荷载性质和地质条件等综合分析。