试论高层建筑结构的抗震设计

古往今来，地震作为一种强烈的自然灾害，一直难以被避免和预防，尤其是近几年来，高层建筑的日益增多，致使地震的发生所带来的破坏逐渐变大，所以须在结构上采取有效措施，从而使高层建筑的抗震性得以提高，本文从实际出发，对于高层建筑结构的抗震设计做了的探讨。


一、建筑结构抗震的主要发展
1、建筑结构的抗震理念
（1）我国在《建筑抗震规范》（GB50011-2001）这一规范中对建筑的抗震设防提出了两点要求，即“三水准、两阶段”，“三水准”主要是指“小震不坏，中震可修，大震不倒”。当遭遇到低于本地区的抗震设防烈度的多遇地震，即第一设防烈度地震时，建筑物的结构应处于弹性变形阶段，这时建筑物是处于其正常使用状态。当遭遇到相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震，即第二设防烈度地震时，建筑物的结构屈服进入了非弹性变形阶段，这时建筑物可能会在一定程度出现破坏。但经过简单维修仍然可以继续正常使用。当遭遇到高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震，即第三设防烈度地震时，建筑物的结构虽然遭遇到严重破坏，但其结构的非弹性变形距离结构的倒塌仍存在一定的距离，这样就不会导致建筑物倒塌或者发生更为严重的破坏，这样可以保障人员的安全。这三个不同水准烈度的地震作用水平，可按三个不同的超越概率（或重现期）来进行区分的:多遇地震：50年的超越概率约为63.2%，重现期约为50年；设防烈度的地震（基本地震）：50年的超越概率约为10%，重现期约为475年；罕遇的地震：50 年的超越概率约为2%-3%，重现期约为1641-2475年，平均发生期为2000年。对待建筑物的抗震的三个水准进行设防的具体要求，主要是通过“两个阶段”的设计来实现完成的，主要方法和步骤如下：第一个阶段：第一步是采用和第一个水准烈度相对应的地震动参数，首先计算出来建筑物的结构在弹性状态下所承受的地震作用的效应，并且与风和重力的荷载效应进行组合。同时将承载力抗震调整系数引入其中。并进行建筑物构件的截面设计，最终满足第一个水准的强度要求；第二步主要是采用和上述相同一的地震动参数进行计算，得出结构的层间位移角度，使得它不会超过抗震规范中所规定的极限值；并采用相对应的抗震结构措施，从而保证建筑物结构能够具有足够的延性、塑性耗能和变形能力，进而能自动满足第二个水准所规定的变形要求。第二个阶段：主要采用和第三个水准相对应的地震的动参数，从而计算出来建筑物的结构（尤其是柔弱的楼层和抗震薄弱的环节）的弹塑性楼层间的位移角度，使它能够小于抗震规范中所要求的极限值。同时采用响应的抗震构造措施，进而满足第三个水准所规定的防倒塌要求。
（2）2010年12月1日，我国正式通过并施行了《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），修订后它共有14个章并且包含12个附录的内容。其中，除了保持了2008年的局部修订规定之外，它的主要修订内容为：修改并补充了关于7度(0.15g)和8度(0.30g)的设防抗震措施，并按照《中国地震动参数区划图》调整和设计地震分组；对土壤液化判别公式进行了改进；对地震影响系数曲线的阻尼调整参数、承载力抗震调整系数和钢结构昀阻尼比、隔震结构的水平向减震系数的计算进行了调整，并且对大跨屋盖建筑水平和竖向地震作用的计算方法进行了补充；对混凝土框架结构的房屋和底部框架砌体的房屋的抗震设计规范要求进行了提高；并且提出了钢结构房屋抗震等级和调整了抗震措施的相关规定；改进了多层砌体房屋、混凝土抗震墙房屋、配筋砌体房屋的抗震措施；扩大了隔震和消能减震房屋的适用范围；新增建筑抗震性能化设计原则以及有关大跨屋盖建筑、地下建筑、框排架厂房、钢支撑一混凝土框架和钢框架一钢筋混凝土核心筒结构的抗震设计规定。
2、抗震设计的理论历程
拟静力理论主要是在20世纪10～40年代期间发展起来的，它仅假定建筑物的结构为刚性，并且地震力是水平作用在建筑物结构或构件的质心之上。
反应谱理论主要是在20世纪40～60年代期间而发展起来的，它主要是以强烈地震动加速度的观测记录的增多和对地震过程当中地表面运动特性的深入了解，及对建筑物的结构动力反应特性的研究为基础，它是由加理工学院的一些学者对强烈地震动加速度的观测记录的特性进行了分析后所取得的一个很重要的成果。
动力理论主要是在20世纪 70-80 年代期间得到广泛应用的地震动力学理论。它能得以快速发展和应用，除因60年代以来，计算机技术和试验技术的快速发展以外，学者对各种建筑物结构在地震的作用下的线性和非线性反应的整个过程都有了较深入的了解，并且随着强烈地震观测台站建设的逐渐增多，多种受损建筑物结构的地震反应记录也在不断地增多。动力理论也被称之为地震时程分析理论，它主要是把地震作为一个连续的时间过程，并且选择具有代表性的地震动加速度的时程作为地震动态输入，将建筑物简化为一个多自由度的体系，最后计算得出每一个时刻的建筑物的地震反应。
二、在高层建筑抗震设计中常常面临的问题
1、建筑抗震设防程度低
目前我国的建筑结构设计的安全度已经不适应现行的需要，建筑物结构设计的安全度应该得到大幅度的提高。我国现在所设定的抗震设防标准很低，较低的抗震设防烈度降低了高层建筑的抗震要求。
2、不合理地基的选取
高层建筑应当建在坚硬或者中硬的土场地，不应建在河岸上，不应在两类土壤上建筑，并且应该避开不利的地形、不应用震陷土作为天然的地基，避免在山崖、断层、地陷、滑坡等抗震危险的地段建造房屋。地基选取的不恰当可能会导致抗震能力变差。
3、少数建筑高度太高
按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。在这个高度，抗震能力还是比较稳妥的，但是目前不少高层建筑超过了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，建筑物的抗震能力会下降，很多影响因素也发生变化，结构设计和工程预算的相应参数需要重新选取。
4、建筑材料的不科学选用
因我国建筑物主要是以钢筋混凝土核心筒为主的结构形式，并且变形的控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但是因为建筑物的弯曲变形的侧位移比较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。
三、高层建筑结构抗震设计的主要方法
1、 推广使用消能和隔震减震设计
目前在消能和隔振减震方面，我国和世界多个国家均采用的是传统抗震结构体系，即“延性结构体系”，这样可以适当控制建筑物的刚度，但是这样的设计是容许构件在地震发生时进入非弹性状态，并且其具有较大的延性，用以消耗地震所带来的能量，从而减轻地震引起的反应，最终使建筑物不会发生坍塌。采取滑移隔震、软垫隔震、悬吊隔震等措施、摆动隔震等方法，可以改变建筑物结构的动力特性，从而减少地震能量的输入，进而减轻结构的地震反应，这是一种非常有效的防震措施。
2、减小地震能量的输入
在设计当中，可以采用基于位移的结构抗震设计法，并且对设计做定量分析，从而使结构的变形可以满足在预期力的作用下的变形要求。不仅要验算建筑物的承载力，而且还要控制建筑物结构在地震的作用下的层间位移延性比或者位移角限值；根据构件变形与构件结构位移变化的关系来确定构件的变形大小；并且根据构件截面所能达到的应变分布和应变大小，来确定构件的设计要求。这样，对于高层建筑，首先需要选择坚硬的场地，减少地震能量输入，从而减轻地震的破坏程度。
3、减少高层建筑结构的自身重量
从地基的承载能力方面来看，如果是在同等的地基条件下，减轻建筑物的结构自重，就意味着在不加强基础或地基造价的情况下，可以增加建筑屋的层数，尤其是对于基础较软的地基更为明显，并且地震的效应与建筑物的建造质量成正比。由于高层建筑的高度较高，会导致其重心上升，同时地震作用下所产生的倾覆力矩也随着建筑物质量的增加而增大。这就要求高层建筑物在设计时的填充墙及隔墙应当采用轻质材料。
结语：
政府对国内高层建筑的抗震设计的要求不断作了提高，这样会致使我国的高层建筑在抗震设计方面必将进入新的阶段，这样地震能给我们带来的损失将会变得很小。