高层建筑设计与抗震设计

　　[摘要]随着新型结构、高性能材料的出现人类建筑也势必再上新台阶,新型结构搞成建筑要求同时能满足建筑物的使用功能和外观要求,这就需要从目前抗震设计现状出发,本文首先从高层建筑抗震设计的特点出发，结合其设计的要点，最后具体阐述高层建筑设计与抗震设计。
　　[关键词]高层建筑，建筑设计，抗震设计，建筑结构
　　引言
　　随着我国建筑设计行业的飞速发展，对高层建筑的设计也越来越重视。然而，对于一个高层结构的设计,遇到的问题可能错综复杂,只能具体问题具体分析。工程实践表明在高层结构的设计过程中,设计人员只有抗震概念清晰,构造措施得当,应用合适的结构分析软件三者有机结合才能取得比较理想的结果,在这个过程中抗震构造重于结构计算。本文对建筑抗震进行必要的理论分析,从而探索高层建筑的设计理念、方法,采取必要的抗震措施。本文简单阐述高层建筑设计与抗震设计，从中领悟其要点。
　　一、高层建筑抗震设计的特点
　　1.1刚柔相济。
　　在建筑抗震设计过程中若一味的提高结构抗力,增加结构刚度,则会导致结构刚度大则在地震发生过程中地震作用也会相应增大,即在增加结构刚度的同时也增强了地震作用,
　　当地震发生时则往往造成建筑物局部受损最后导致建筑物各个击破;而若建筑物刚度太柔虽然可以依靠其柔性消减外力,但容易导致建筑物过大形变而不能使用,甚至在地震发生时导致整体倾覆。因此在高层建筑物设计过程中应坚持刚柔相济原则,即建筑物在地震过程中既能满足变形要求又能减小地震力的双重目标。
　　1.2多道设防。
　　由于每次强震之后都会伴随多次余震,
　　因此在建筑物的抗震设计过程中若只有一道设防,则其在首次被破坏后而余震来临时其结构将因损伤积累而倒塌,因此,建筑物的抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,在地震发生时由具有较好延性的结构构件协同工作来抵挡地震作用。
　　二、高层建筑抗震设计要点
　　2.1结构规则性
　　建筑物尤其是高层建筑物设计应符合抗震概念设计要求对建筑进行合理的布置。大量地震灾害表明平立面简单且对称的结构类型建筑物在地震时具有较好的抗震性能，因为该种结构建筑容易估计出其地震反映易于采取相应的抗震构造措施并且进行细部处理。建筑结构的规则性是指建筑物在平立面外形尺寸抗侧力构件布置、承载力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面对称均匀体型简单结构刚度质量沿建筑物竖向变化均匀,同时应保证建筑物有足够的扭转刚度以减小结构的扭转影响,并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。
　　2.2层间位移限制
　　高层建筑都具有较大的高宽比,其在风力和地震作用下往往能够产生较大的层间位移,甚至会超过结构的位移限值。而国内普遍认为该位移限值大小与结构材料、结构体系甚至装修标准以及侧向荷载等诸多因素有关,其中钢筋混凝土结构的位移限值(一般在1/400-1/700范围内)则比钢结构(1/200-1/500范围内)要求严格,风荷载作用下的限值比地震作用下的要求严格因此在进行高层建筑结构设计时应根据建筑物的实际情况以及所处的地理位置进行设计,既要满足其具有足够的刚度又要避免结构在水平荷载的作用下产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性以及正常使用功能等。
　　2.3控制地震扭转效应
　　大量事实表明,当建筑结构的平面布置等不规则、不对称导致建筑层间水平荷载合力中心与建筑结构刚度中心不重合,在地震发生时建筑结构除发生水平位移外还易发生扭转性破坏甚至会导致结构整体倒塌,因此在结构设计中应充分重视扭转的影响。由于建筑物在扭转作用下各片抗侧力结构的层间变形不同,其中距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大;同时在上下刚度不均匀变化的结构中,各层的刚度中心未能在同一轴线上,甚至会产生较大差距,以上情况都会使各层结构的偏心距和扭矩发生改变,因此,在设计过程中应对各层的扭转修正系数分别计算。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标,即当两个控制参数的计算结果不能满足要求时则必须对其进行调整。当周期比不满足要求时可采用加大抗侧力构件截面或增加抗侧力构件数量的方法,并应将抗侧力构件尽可能的均匀布置在建筑四周,以减小刚度中心与质量中心的相对偏心,若调整构件刚度不能满足效果时则应调整抗侧力构件布置,以增大结构抗扭刚度。具体做法为当结构刚度富余量较小可采取均衡加强结构外围刚度,富余量较大则可采取在加强外围刚度的同时均衡的消弱结构内部中心抗侧力构件刚度的方法进行处理;当结构位移比不满足要求时则一般采取增加最大位移处构件刚度减小最小处位移构件刚度、在最大位移处局部加剪力墙、增加框架部分侧向刚度和设置防震缝将不规则平面重新划分为相对规则平面的方法进行处理。
　　三、高层建筑结构抗震设计
　　3.1抗震措施
　　在对结构的抗震设计中,除要考虑概念设计、结构抗震验算外,历次地震后人们在限制建筑高度,提高结构延性(限制结构类型和结构材料使用)等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前,在抗震设计中,从概念设计,抗震验算及构造措施等三方面入手,在将抗震与消震(结构延性)结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法,直至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使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且,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已得到普遍的认可。
　　3.2高层建筑的抗震设计理念
　　我国《建筑抗震规范》(GB50011-2001)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。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。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。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,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: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。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。
　　3.3高层建筑结构的抗震设计方法
　　我国的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)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;除1款外的建筑结构,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。
　　结束语
　　随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对高层建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。这则需要工程界和教育界进行共同的努力。
　　参考文献
　　1．戴国莹，李德虎，建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题，建筑结构，1999（4）
　　2．高立人，王跃，结构设计的新思路——概念设计，工业建筑，1999（1）
　　3.朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社,2002.11.

《高层建筑设计与抗震设计》

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