高层建筑抗震设计中的一些问题和建议

高层建筑抗震设计中的一些问题和建议

刘约珥

温州市城市规划设计研究院浙江温州325000

摘要：本文分析和讨论了现行高层建筑结构抗震设计中的一些问题，并对高层建筑结构抗震设计提出了一些建议。

关键词：高层建筑；抗震设计；结构设计

0引言

随着经济社会的发展，新建工程项目中高层建筑已普遍采用，其安全性日益引发关注，如抗震性能、抗风性能、抗连续倒塌能力、消防安全等都是居民关注的重点。我国处于地震多发区，在建筑结构专业中，如何提升高层建筑的抗震性能，既要实现《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定的抗震三水准设计目标，做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”，同时更要结合先进的设计理念和工程经验，努力取得最佳的社会经济综合效益，已成为设计单位及其设计人员关注与探究的重点。

1我国高层建筑抗震设计中的一些问题

1.1抗震设防目标单一

我国和世界上大部分国家一样，在抗震设防上现行采用的是三水准，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。作为单一的以基于生命安全的性能水准为目标，以采用基于强度（承载力）的设计方法作为实质的抗震设计思想，从适应社会需求等方面来看都存在一定的问题，显然已越来越不能满足市场和社会发展的需要。严格按照规范要求进行抗震设计，结构能做到“中震可修”，然而在中等强度的地震中，结构虽然保证主体结构完整，非结构构件、建筑装修等均会遭受严重损害，修缮费用巨大，甚至超过结构物本身的造价，结构正常功能丧失造成的间接损失更加难以估量。因此，越来越多的业主对结构的性能提出更高的要求，力求做到例如“中震不坏”甚至“大震不坏”，以求避免遭遇罕遇地震的庞大经济风险。随着我国经济社会的高速发展，现行抗震设防水准已经逐渐不能适应国情要求，在新形势下有重新审视的必要。

1.2建筑高度超限

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第3.3.1条规定了高层建筑结构采用不同结构体系时在一定设防烈度下的最大适用高度。符合规范最大适用高度的建筑结构，经过充分的学术研究和工程实践，设计单位按照规范规定的设计方法，采取符合规范要求的构造措施后，就可以达到现行的抗震设防目标水准。但是，随着城市天际线的不断拔高，摩天大楼层出不穷，大量的超高层建筑已经超过规范的高度限值，形成超限高层建筑。对于这类建筑，在我国尚无经受重大地震考验的工程实践，应当采取科学审慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验，否则必将给建筑抗震能力留下严重的安全隐患。

1.3计算模型选取不尽合理

在抗震设计中，“强柱弱梁”是延性结构设计的核心之一。现行主流电算软件采用的计算模型不尽合理，对结构内力尤其是框架梁的内力分析存在失真，客观上容易形成“强梁弱柱”。重力荷载作用下，现浇板作为梁翼缘，增加了梁的抗弯刚度，同时，板直接参与弯曲变形，分担了梁部分弯曲应力，因此，考虑梁板整体作用时，梁实际受到的弯矩会有一定程度的下降。同时，整浇楼盖梁中还存在较大的轴力，对楼盖梁设计有着很大的影响。目前结构设计中，多采用纯杆系、杆+壳软件。在整体结构计算时，采用梁、板分离式的设计方法，板仅仅是负责传递重力荷载到梁上；在楼盖梁构件设计时，没有考虑梁板协同工作，高估了梁内力，客观上容易形成“强梁弱柱”。

2高层建筑抗震设计建议

2.1合理的结构布置

地震是非常复杂的地壳运动，其对结构的作用方式和能量输入存在很大的不确定性，无法预估地震作用的方向。因此，重视概念设计，合理的结构布置显得尤为必要。在高层建筑的一个独立结构单元内，结构平面形状宜平面宜简单、规则、对称，减少偏心，不宜采用角部重叠或细腰形平面布置。竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免侧向刚度和承载力突变。在高层建筑中，竖向构件的轴向变形较大，对荷载走向、结构刚度和内力的重分配有重要影响，不应忽视。因此，布置竖向构件时，应使构件刚度和负荷相匹配，即在重力荷载作用时，各构件应具有相近的轴压比，竖向变形一致，减少结构次生内力。在水平荷载作用时，各构件抗弯刚度应均匀，以免在大震作用下被各个击破。因无法预估地震作用方向，结构两个主轴方向的动力特性要接近。加强楼盖设计，充分发挥楼盖作为高层建筑刚性隔板的作用，通过楼盖在各个竖向构件之间传递水平力，形成空间作用。

2.2结构应具有合理的刚度

对高层建筑结构进行抗震设计时，要从减小结构的地震反映和增强结构本身对地震的抵抗能力两个方面进行考虑。这两个方面都与结构刚度有关。一方面，根据抗震计算理论，地震能量对结构的输入与结构自身刚度有关，刚度越大，输入结构的能量也越大，结构的地震响应就越强烈。另一方面，如果结构没有足够的刚度，那么在地震作用时，结构侧向位移会过大，甚至在中大震下因为重力二阶效应倒塌，无法达成“三水准”的抗震设防目标。通过上述分析可知，结构应具有合理的刚度，总体原则为在满足规范位移限值前提下，尽量减小结构刚度，以活动更好的经济效益。对于可预期的薄弱部位，应采用抗震设计的二阶段分析，即补充罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，并予以加强。

2.3延性结构和多道防线

延性是指构件和结构屈服后,在承载能力不降低或基本不降低的情况下,具有足够塑性变形能力的一种性能。结构的延性常常用延性比来表示。延性比是指最大允许变形与屈服变形之比,它反映了塑性变形能力的大小。地震作用本质上是一种能量输入，因此，将高层建筑设计成延性结构，通过结构的弹塑性变形耗散地震能量是重要的概念设计。可以说，结构抗震的本质就是延性。在框架结构中，柱作为竖向承重构件不允许在地震中首先屈服，延性框架主要通过框架梁的弹塑性变形耗散地震能量，需要做到“强柱弱梁、强剪弱弯”。在剪力墙结构中，主要通过连梁大量耗散地震能量，因此宜设计成弱连梁，使连梁先于墙肢屈服。

延性结构同时是一个相对概念，设计时应根据构件在整体抗侧力体系中的位置划分强与弱。具体设计中，经常需要组合不同的结构分体系，如将剪力墙与延性框架组合，形成多道防线。在纯框架结构中，框架梁作为第一道防线，框架柱作为第二道防线。在剪力墙结构中，连梁作为第一道防线，墙肢作为第二道防线。在框架剪力墙结构中，剪力墙分体系作为第一道防线，延性框架分体系作为第二道防线。总之，延性结构需要在具体工程中结合实际情况，主次分明，强弱有别，增加结构的冗余约束来实现延性机制和多道防线。

2.4重视抗震构造措施

地震作用是无法准确预估的，真实地震中其方向、动力特性等参数，与设计采用的“模拟”地震仍有很大的差别，因此除了概念设计，抗震构造措施也非常值得重视。设计中，控制框架柱、剪力墙的轴压比、剪压比，梁、柱、墙的“强剪弱弯”内力调整，受弯构件的最小配筋率、剪力墙的最小配筋率、边缘构件的最小体积配箍率等等，以及抗震构件封闭箍筋的弯钩、梁柱结点的钢筋锚固构造，都是十分必要的。只有做好细节处理，才不至于在地震时结构构件被各个击破，最终造成抗震体系全盘崩溃，功亏一篑。

3.结语

高层建筑结构的抗震设计关系到我国人民的生命财产安全以及社会的和谐稳定，应引起设计人员高度重视。本文对高层建筑结构抗震设计的若干问题进行了讨论和分析，对高层建筑结构抗震设计提出了一些建议，以供参考。

参考文献：

[1]傅学怡.实用高层建筑结构设计（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：549-567.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[3]JGJ3-2010高层混凝土结构技术规程[S].