地震作用下高层建筑的概念设计

2013级土木工程（本）专业《高层建筑结构设计》课程论文

论文题目：地震作用下高层建筑的概念设计

Conceptual design of

high rise buildings under earthquake action

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地震作用下高层建筑的概念设计

摘要：随着高层建筑往更高的的方向发展，其抗震性能也变得越来越重要，在高层建筑结构设计中，由于地震作用的不确定性，计算假定与实际情况的差异等因素，单纯依靠理论计算很难有效控制结构的薄弱环节，难以保证结构的抗震功能，因此在结构设计中要重视结构的概念设计。

关键词：概念设计结构布置高层建筑

地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个地震多发国家。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外的所有行政区域。自1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。据有关部门预测，我国未来50年除江南地区几个省外，均可能发生地震。面对如此大范围的地震可能，作为城市的必要构成——建筑物，其结构的抗震性能就具有充分的研究必要性。

高层建筑结构体系是随着社会的发展和科技的进步而出现的。随着此类建筑的不多增多，其结构抗震分析和设计也变得越来越重要。特别由于我国处于地震多发地区，地震荷载是建筑结构强度和刚度的主要控制荷载，因此，如何准确的评估地震荷载，获得经济合理的高层建筑抗震设防体系是大型土木工程设计面临的首要问题。[1]

抗震要求

由于地震作用与风荷载的性质不同，结构设计和方法也不同。风荷载作用时间较长，有时达数个小时，发生机会也多，一般要求风荷载作用下结构处于弹性阶段。而地震发生的机会小，作用持续时间短，一般为几秒到十几秒，但地震作用强烈。如果要求结构在所有地震作用下都处于弹性阶段，势必使结构多用材料，很不经济。因此，抗震设计有专门的方法和要求。我国现行《建筑抗震设计规范》采用三水准抗震设防目标，通过两阶段抗震设计方法，规定了相关要求与应用范围。

1抗震设防的“三水准”

近年来，国内外抗震设防目标的发展总趋势是要求建筑物在使用期间，对不同频率和强度的地震，应具有不同的抵抗能力，即“不震不坏，中震可修，大震不倒”。这一抗震设防目标亦为我国《抗震规范》所采纳。三水准设防的设防要求：

第一水准：在遭受低于本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需要修理仍可继续使用；

第二水准：在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物（包括结构和非结构构件）可能有一定损坏，但不致危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理或不需要修理仍可继续使用；

第三水准：在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

2两阶段设计方法

根据上述三水准抗震设防目标的要求，在第一水准（小震）时，结构应处于弹性工作阶段，因此，可以采用线弹性动力理论进行建筑结构地震反应分析，以满足强度要求。在第二和第三水准（中震、大震）时，结构已进入弹塑性工作阶段，主要依靠其变形和吸能能力来抗御地震。在此阶段，应控制建筑结构的层间弹塑性变形，以避免产生不易修复的变形（第二水准要求）或避免倒塌和危及生命的严重破坏（第三水准要求）。因此，应对建筑结构进行变形验算。

在具体进行建筑结构的抗震设计时，为简化计算，《抗震规范》提出了两阶段设计方法，即建筑结构在多遇地震作用下应进行抗震承载能力验算以及在罕遇地震作用下应进行薄弱部位弹塑性变形验算的抗震设计要求。即：第一阶段设计：首先按基本烈度相应的众值烈度（相当于小震，约比基本烈度低1.55度）的地震参数，用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用效应，然后与其它荷载效应按一定的组合原则进行组合，对构件截面进行抗震设计或验算，以保证必要的强度；再验算在小震作用下结构的弹性变形。这一阶段设计，用以满足第一水准的抗震设防要求。

第二阶段设计：在大震（罕遇地震，约比基本烈度大1度）作用下，验算结构薄弱部位的弹塑性变形，对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构除进行第一阶段的设计外，还要按第三水准烈度（大震）的地震动参数进行薄弱层（部位）的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施，以满足第三水准的设防要求（大震不倒）。

在设计中通过良好的抗震构造措施使第二水准要求得以实现，从而达到“中震可修”的要求。

高层建筑抗震概念设计

概念设计是一些结构设计理念，设计思想和设计原则，是结构工程师运用“概念”进行分析，做出判断，并采取相应措施，是工程结构设计人员根据理论与试验研究结果和工程经验等所形成的，在方案阶段及初步设计阶段，从宏观上，总

体上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的一些最基本，最关键的问题。

[2]抗震概念设计的基本要点有：

1采用规则结构

高层建筑结构在抗震设计时，要重视建筑体形和结构的总体布置。由于建筑体形不合理或结构总体布置不合理而造成的地震灾害，在国内外的大地震中都有多见。建筑体形指建筑的平面和里面；结构的总体布置指结构构件的平面布置和竖向布置。采用规则结构，就是采用对抗震有利的建筑平面和立面，有利的结构布置，不应采用严重不规则的结构。平面形状简单，规则，均匀，对称，长宽比不大的建筑有利于抗震，而且结构的平面布置也有利于抗震。结构的承载力，刚度，质量分布对称，均匀，刚度中心和质量中心尽可能重合，减少扭转效应，结构具有良好的整体性。结构沿高度布置应连续，均匀，使结构的侧向刚度和承载力上下相同或下大上小，自下而上连续，逐渐减少，避免有刚度或承载力突然变小的楼层，造成薄弱层出现，地震时该部位容易破坏。

2选择合理的结构计算见图和地震作用传递途径

目前大多数高层建筑都可以利用计算机进行程序运算，为保证计算结构的可靠性，要求工程设计人员要熟练掌握结构的简化计算方法，得到结构构件在荷载作用下的计算简图，结构在地震作用下的传力途径要简单，直接，利用合理的力学模型和数学模型获得更为符合实际的抗震验算结果。

3选择延性好的材料和结构

抗震结构不但要具有一定的刚度，承载力，还应具有良好的弹塑性的变性能力。延性好的材料有钢，钢筋混凝土等。延性是结构屈服后变性额能力大小的一种性质，是结构构件吸收能量的能力的一种体现。在“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则下，钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，即在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，当合理控制塑性铰的部分，构件有具备足够的延性，可做到大震作用下结构不倒塌。当结构为延性结构时，可以利用构件的塑性变形耗散地震能量，结构变形虽然加大，但是结构承受的地震作用不会增大，内力也不会增大，因此具有延性的结构可以降低对结构承载力的要求，降低材料的用量，从而节约建筑的总造价。

结构的延性与组成结构各构件的延性有关，与节点区设计和各构件连接及锚固有关。构件的延性和纵筋配筋率，钢筋种类，混凝土极限压应变和轴压比等因素有关，同时与施工的质量好坏也有一定的影响。保证钢筋混凝土结构有一定的延性，就要保证梁，柱，墙具有足够的延性，将结构设计成延性框架，延性剪力墙，保证结构延性在设计中的方法有以下几个方面：

（1）强柱弱梁，指节点处柱端实际受弯承载力大于梁端实际承载力。目的