关于高层建筑结构抗震设计的探讨

关于高层建筑结构抗震设计的探讨

发表时间：2017-06-08T15:24:08.667Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年2月上作者：杨海柱

[导读] 随着建筑层数和高度也不断增加，功能和类型越来越复杂，结构体系日趋多样化。

新疆凯盛建材设计研究院新疆乌鲁木齐 830000

摘要：高层建筑抗震设计一直建筑结构设计的重点，了解高层建筑的发展，建筑抗震的理论的发展，对我们进行高层结构抗震设计有着巨大的帮助和推动作用。

关键词：高层建筑；结构设计；抗震

一、高层建筑发展概况

随着建筑层数和高度也不断增加，功能和类型越来越复杂，结构体系日趋多样化。90中后期年代，是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以建筑物，这给结构设计工作带来了新的挑战。比较有代表性的如上海金茂大厦塔楼高420.5米，共88层，总建筑面积29万平方米，采用框筒结构，中间的核心筒为八角形的现浇钢外部有8根钢巨形柱和8根复合式巨形柱，在加强层采用钢结构的外伸桁架将核心筒与复合巨形柱连成整体以提高塔楼侧向刚度。

面对如此巨大而复杂的建筑物，作为一名普通的结构设计工程师感受到的不仅仅是心灵的震撼，更多的是对今后的结构设计工作所面临的挑战的期望和憧憬。

二、建筑抗震理论的形成和在我国建筑设计中的具体应用

（一）抗震设计的三种理论分析方法

1、拟静力理论。拟静力理论是20世纪10~40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)，该理论相对应于的《抗规》5.1.2-1条和《高规》4.3.4-2条中的底部剪力法。

2、反应谱理论。反应谱理论是在上世纪40~60年代发展起来的，它以强震加速度观测记录和对地震地面运动特性的，以及结构动力反应特性的研究为基础，对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。该理论相对应于的《抗规》5.1.2-2条和《高规》4.3.4-1条中的振型分解反应普法。

3、动力理论。动力理论是上世纪70~80年广为应用的地震动力理论。它的发展除基于电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多。该理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。该理论相对应于的《抗规》5.1.2-3条和《高规》4.3.4-3条中的时程分析法。

（二）我国高层建筑的抗震设计理念

我国《建筑抗震规范》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”。

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，即小震不坏。

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。即中震可修。

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。此时，建筑具有较大的非弹性变形，但不超过规定的弹塑性变形限值，即大震不倒。

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。

第一阶段：先采用与第一水准烈度相应的地震动参数，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；然后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。对于大多数结构可只进行第一阶段的设计，而通过概念设计和构造措施来满足第三水准的设计要求。

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设防要求。

(三）我国高层结构的地震力计算方法

1.《高规》4.3.4-2中提出了四点要求：一高度不超过40米，二以剪切变形为主，三质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可以采用底部剪力法。

“质量沿高度分布比较均匀”指的是任意楼层的质量不小于相邻楼层质量的70%且不大于相邻楼层质量的130%且任意楼层的质量不小于相邻三个楼层质量平均值的80%且不大于相邻楼层质量平均值的120%。“刚度沿高度分布比较均匀”指的是任意楼层的刚度不小于相邻楼层刚度的70%且不大于相邻楼层刚度的130%且任意楼层的刚度不小于相邻三个楼层刚度平均值的80%且不大于相邻楼层刚度平均值的120%。

“以剪切变形为主的结构”指的是高度不是太高以框架结构和以框架柱为主要的抗侧力构件的结构体系和一些单质点的结构体系。

2.《高规》4.

3.4-1中提出了“高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法，对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100米的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振东影响的振型分解反应谱法。”

“对质量和刚度不对称、不均匀的结构”上文已经进行了阐述分析，下面着重说下“考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法”。什么情况下“考虑扭转耦联振动影响”呢？《抗规》5.2.2条文说明给出了具体的尺度，“两个振型之间周期比为0.9时，耦联系数增大一倍，两个振型之间的的互相影响不可忽略”此时应该采用CQC法，即虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。具体到操作的层面，《高规》条明确4.3.9当相邻振型的周期比小于0.85时，按不考虑扭转耦联的方法分析，即：SRS法；《高规》4.3.10条指出考虑扭转影响的平

面、竖向不规则的结构按扭转耦联振型分解法计算即：采用CQC法.单向、双向水平地震力的计算方法这里不做赘述，详见《高规》4.3.10-1以及-2条。

3.《高规》

4.3.4-3条中提出了需要采用弹性时程分析法进行补充计算的建筑类型，主要指竖向不规则结构（侧向刚度不规则，层受剪承载力不足，竖向构件不连续，上部结构收进不规则，楼层质量分布不规律等）以及带转换层的结构，带加强层的结构，错层结构，连体结构，竖向收进和悬挑结构。

三.抗震措施和今后抗震设计工作的发展方向

在结构的抗震设计中，除要考虑概念设计、结构抗震验算外，那些用于提高结构延性方面经验总结也需要引起我们设计人员的充分重视，如强柱弱梁，强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用。当前，从概念设计，抗震验算及构造措施等三方面入手，规范已经建立起了设计地震烈度与结构延性要求相互对应的设计方法，如不同的抗震等级对应不停的构造措施，以及进一步通过一些结构措施(隔震措施，消能减震措施)来减震，即减小结构上的地震作用的同时，使建筑物具有有良好的经济性能，这是当代抗震设计发展的方向。参考文献：

[1]《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》 JGJ3-2010

[2]朱炳寅编著《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程应用与分析》

[3]《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010