谈高层建筑结构的抗震设计论文

[摘 要] 本文建筑设计论文围绕高层建筑结构的抗震设计，结合《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），主要介绍了高层建筑抗震设计的理念、方法、存在的问题及解决措施等几个方面的问题。
[关键词] 高层建筑 结构 抗震设计
论文引言
我国是一个多地震国家，VII度以上的高烈度区覆盖了1／2的国土，其中包括23个省会城市和2／3的百万以上人口大城市。目前我国正处在经济和社会迅速发展的时期，高层建筑工程的建筑规模已经位居世界之前列，而且可以预测：今后若干年，我国仍将是世界上高层建筑建设最多的国家。高层建筑是属于柔性建筑一类，风和地震作用是高层结构设计的主要侧向荷载，起着几乎是决定性的作用。而地震又是一种常见且具有较大危害的自然灾害，进行结构的抗震设计，减小建筑结构在地震作用下的生命和财产损失，一直是建筑结构设计人员和研究人员所关心和不懈努力去解决的问题。
结构工程师按抗震设计要求进行结构分析与设计，其目标是希望使所设计的结构在强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，从而经济地实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一种随机性很强的循环、往复荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，存在着许多模糊和不确定因素，在结构内力分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，计算方法还很不完善，单靠微观的数学力学计算还很难使建筑结构在遭遇地震时真正确保具有良好的抗震能力。

一、建筑抗震设防目标
在2001年版的《建筑抗震规范》(GB50011-2001)中，我国对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求,“三水准”即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。在新版的《建筑抗震规范》(GB50011-2010)中也有相同的提法，它说明对于建筑的抗震设计，这样的要求应该是不变的。它传达出了以下三个方面的含义：
（1）当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此,要求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算,要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。
（2）当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时,结构屈服进入非弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此,要求结构具有相当的延性能力(变形能力)不发生不可修复的脆性破坏。
（3）当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而保障了人员的安全。因此,要求建筑具有足够的变形能力,其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。
三个水准烈度的地震作用水平,是按三个不同超越概率(或重现期)来区分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重现期50年；设防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重现期475年；罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重现期1641-2475年,平均约为2000年。
对建筑抗震的三个水准设防要求,是通过“两阶段”设计来实现的,其方法步骤如下:
（1）第一阶段:第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数,先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重力荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求；第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角,使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施,保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能,从而自动满足第二水准的变形要求。
（2）第二阶段:采用与第三水准相对应的地震动参数,计算出结构(特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角,使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施,从而满足第三水准的防倒塌要求。

二、高层建筑结构设计的抗震计算方法
新规范《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定:高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构,以及近似于单质点体系的结构,可采用底部剪力法等简化方法；少数类型的建筑结构,宜采用振型分解反应谱方法；特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算,可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

三、建筑结构设计抗震能力评估方法
3.1 弹塑性计量法
目前，弹塑性分析已经成为结构抗震设计的一个重要组成部分，国内外大量地震震害教训表明，建于强震区的早期结构，具有较高的地震易损伤性。如何评定这些已建结构的抗震性能，并据此进行合理的抗震加固，对最大限度的降低地震震害损失以及保护人民生命财产安全，都具有重要意义。
弹塑性分析法主要用于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算，从而估计其抗震能力，自从基于性能的抗震设计理论提出之后，该方法的应用范围逐渐扩大到新建建筑结构的弹塑性抗震分析。这种方法与传统的抗震静力方法区别主要在于它考虑了结构的弹塑性性能并将设计反应谱引入了计算过程和计算结果的解释。基本原理是：在结构上施加竖向荷载并保持不变，同时施加某种分布的水平荷载，该水平荷载单调增加，构件逐步屈服，从而得到结构在横向静力作用下的弹塑性性能。正因为弹塑性计量法的这种特点，已经在建筑结构抗震能力评估领域发挥越来越重要的作用，而其中弹塑性静力分析作为结构弹塑性变形分析方法之一，以其实用性较强的优点正受到越来越多的关注，已经被列入我国《建筑抗震设计规范》。
3.2 反应谱法
反应谱法是用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱；再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载；然后按静力方法进行结构计算设计的方法，因此，它是一种拟静力方法。我国抗震规范及高层规范都要求在高层建筑中用反应谱方法计算等效地震力，一般有两种方法 ：①反应谱底部剪力法，主要适用于当结构高度小于40m，沿高度方向质量刚度分布比较均匀， 以第一振型为主的高层建筑；②反应谱振型叠加法，当把结构简化为平面结构进行分析时，采用平方和的平方根法(SRS方法) ；当采用空间协同分析或空间分析方法时，考虑空间各振型的相互影响，采用完全二次方程法（CQC）方法，地震反应完全平方组合)。当然关于建筑结构抗震能力评估方法还有很多， 本文只是展示了这两种比较基本而且使用几率比较大的方法。

四、高层建筑结构设计中需要注意的问题
结合对新的抗震设计规范（GB50011—2010）的理解及自己的工作实践，个人认为目前高层建筑抗震在结构设计上设计需要注意以下几个方面的问题：
1)结构整体计算的软件选择。 目前比较通用的计算软件有:SATWE、TAT、TBSA等,但是,由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异,因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以,在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件,并从不同软件相差较大的计算结果中,判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的,哪个又是意义不大的,这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。
否则,如果选择了不合适的计算软件,不但会浪费大量的时间和精力,而且有可能使结构有不安全的隐患存在。
2)是否需要地震力放大,考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。 该部分内容实际上在新老规范中都有提及,只是,在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。
3)振型数目是否足够。 在新规范中增加一个振型参与系数的概念,并明确提出了该参数的限值。 由于在旧规范设计中,并未提出振型参与系数的概念,或即使有该概念,该参数的限值也未必一定符合新规范的要求,因此,在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断,并决定是否要调整振型数目的取值。

五、提高我国建筑结构抗震能力的建议
5.1 研究开发更为合理的结构形式
随着科技日益高速发展，自重轻、跨度大、功能多样、施工周期短成为现代建筑结构的发展方向。因而，研制出轻质高强的新型建筑材料，研究开发合理的结构形式成为各种新型结构体系应运而生的前提和基础。
5.2 材料的选用和结构体系问题
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系更为合理的问题应该得到人们的重视。我国高层建筑中常采用的结构体系有：框架、框架—剪力墙、剪力墙和筒体等几种体系，这也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外，特别是地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构却占了90％，如此高比例的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受地震较大的考验。
钢结构同混凝土结构相比，具有优越的强度、韧性和延性以及强度重量比， 总体上看抗震性能好，抗震能力强。震害调查表明，钢结构较少出现倒塌破坏情况。在高层建筑中采用框架——核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。钢与混凝土的混合结构中钢筋混凝土构件内往往要承受80％以上的地震层剪力，有的高达90％以上，由于结构以钢筋混凝土结构的位移值为基准，但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增加了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒体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的要求。
论文总结：建筑设计中在结构体系或柱距变化时，常常需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成很大的刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的墙柱构件的剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。

参考文献
[1] 刘大海．高层建筑抗震设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 朱正茂．高层建筑抗震能力研究[J]．科学时代，2007，(11)．
[3] 朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社,2002.11.