高层建筑结构的抗震性能分析与设计

高层建筑结构的抗震性能分析与设计

摘要：高层建筑的特点是高度比较高，所以地震荷载和风荷载在设计过程中占主导和控制地位，而我国又是地震多发国家，因此高层建筑的抗震设计分析显得尤为重要。本文探讨了高层建筑结构的抗震性能分析与设计。

关键词：高层；建筑结构；抗震；性能；设计

随着我国社会主义现代化建设和城市化进程的不断向前推进，建设用地日趋紧张，促使建筑能越来越多样化，高层建筑的发展是大势所趋。高层建筑的特点是高度比较高，所以地震荷载和风荷载在设计过程中占主导和控制地位，而我国又是地震多发国家，因此高层建筑的抗震设计分析显得尤为重要。

一、高层建筑抗震设计特点

1.控制建筑物的侧移是重要的指标。在地震荷载作用下，建筑结构所产生的水平剪切力占主导地位，所以建筑物会产生明显的侧移，随建筑结构的高度不断曾加，结构的侧向位移迅速增大，

但该变形要在一定限度之内，这样才能保证结构安全以及使用功能。

2.地震荷载中的水平荷载是决定因素。水平荷载会使建筑物产生倾覆力矩，并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力，这些都与建筑物高度的两次方成正比，故随建筑结构高度的曾加，水平载荷大相径庭。对高度一定的建筑物而言，竖向荷载基本上是不变的，但是随着建筑物的质量.刚度等动力特性的不同，水平地震荷载和风荷载的变化是比较大的。

3.要重视建筑结构的延性设计。高层建筑结构随着高度增加，刚度减小，显得更柔，在地震荷载作用下变形较大。这就要求建筑结构要有足够的变形能力，使结构进入塑性变形阶段仍然安全，需要在结构构造上采取有利的措施，使得建筑结构具有足够的延性。

二、高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容

在罕遇地震作用下,抗震结构都会部分进入塑性状态,为了满足大震作用下结构的功能要求,有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。当前国内外抗震设计的发展趋势,是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计,结构弹塑性分析将成为抗震设计的一个必要的组成部分。但是由于结构弹塑性分析的复杂性,在如何进行计算和如何设定具体要求的问题上,各国的做法也有所不同。

我国现行抗震规范(GB50011-2010)要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下(小震),按反应谱理论计算地震作用,用弹性方法计算内力及位移,并用极限状态方法设计构件。对于重要建筑或有特殊要求时,要用时程分析法补充计算,并进行大震作用下的变形验算。这种先用多遇地震作用进行结构设计,再校核罕遇地震作用下结构弹塑性变形的方法,即为所谓的二阶段设计方法。同时规范规定了结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形的结构弹塑性分析方法。

结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析(时程分析)和弹塑性静力分析(推力计算)两大类。弹塑性动力分析,采用杆模型和层模型等简化的结构计算模型,将地震波记录直接输入结构,考虑结构的弹塑性性能,依据结构弹塑性恢复特性建立动力方程,用逐步积分直接求出地震过程中位移.速度和加速度的时程变化,从而能够描述结构在强震作用下,在弹性和非弹性阶段的内力变化,以及结构构件逐步开裂.屈服.损坏直至倒塌的全过程。杆模型计算的优点是可以得到杆件状态随时间的变化过程,也可得到各楼层的反应。但耗时多.费用昂贵.结果数据量大且分析比较繁冗,在国外也极少采用。层模型计算能得到各楼层的反应,例如层剪力.楼层侧移和层间转角.层间位移延性比等,它主要是从宏观上即层间变形检验结构在大震作用下的安全性。层模型计算的数据相对较少,适宜于进行宏观检验,也便于计算多条地震波作用。无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时程分析,都要求设计人员具有较高水平的专业知识,且计算结果受地震波的影响较大,不存在唯一答案,有时难以判断。上世纪九十年代中期一些国家的学者相继提出弹塑性静力分析方法(Push-overAnaldysis)进行结构抗震分析。这种方法并非创新,但有较多优点。弹塑性静力分析采用空间协同平面结构模型或三维空间模型;每个构件(梁.柱.墙)都根据其截面尺寸.配筋及材料确定其弹塑性力--变形关系;在结构上施加某种分布的楼层水平荷载,逐级增大;随着荷载逐步增大,某些杆端屈服,出现塑性铰,直至塑性铰足够多或层间位移角足够大,计算结束。由弹塑性静力分析,可以了解结构中每个构件的内力和承载力的关系以及各杆件承载力间的相互关系,检查是否符合强柱弱梁(或强剪弱弯),并可发现设计的薄弱部位,还可得到不同受力阶段的侧移变形,给出底部剪力--顶点侧移关系曲线以及层剪力--层间变形关系曲线等等。后者即可作为各楼层的层剪力--层间位移骨架线,它是进行层模型弹性时程分析所必须的参数。只要结构一定(尺寸.配筋.材料),其结果不受地震波的影响,而与初始楼层水平荷载的分布有关。

三、基于抗震性能的高层建筑结构设计

1.选择合理的高层建筑结构体系

合理选择高层建筑结构体系，提高高层建筑承载能力.变形能力及消减地震能量能力，是实现建筑物安全性.经济性的基础。首先，要将抗震概念融汇在高层建筑设计中，全面考虑建筑物的平立面外形尺寸，抗侧力构件布置.质量分布，承载力分布等诸多因素，提倡平.立面简单对称，构建规则的建筑布置，采取相应的抗震构造措施和细部处理，确保抗侧力体系的刚度承载力上下变化连续.均匀。其次，要对有关建筑结构的弹塑性变形和建筑结构构件承载力实施严谨的验算。建立起具有良好性能的多重抗震结构框架。主体抗侧力结构刚度的选择应大于规范的阙值，对结构层间位移实行控制。形成良好的塑性内力重分布能力，有效吸收和消耗地震能量所带来的压力。第三，遵守“强柱弱梁.强剪弱弯.强节点弱构件.强底层柱（墙）”的原则，对结构承载力.刚度.稳定性.延性等性能相对薄弱部位采取辅助措施。

2.尽量选择抗震性能突出的结构材料

从某种意义上讲，高层建筑结构体系的抗震能力，实质是不同建筑构件在地震来袭时其承载能力与延展能力的集合。这就要求我们在高层建筑中，根据建筑工程的条件，优选抗震性能突出的结构材料。按照抗震性能比较，不同材料的结构类型性能等级排序为：钢结构.型钢混凝土结构.现浇钢筋混凝土结构.装配式钢筋混凝土结构.钢筋砌体结构。目前我国钢材产量巨大，供

应充沛。因此，尽可能采用钢结构或型钢混凝土结构。通过减小柱断面尺寸，提高结构的抗震性能。在高层建筑中还应注意选用新型建筑结构和材料，减轻结构自重。在相同地基处理的情况下，利用钢管混凝土承重柱自重可减轻65%左右，从而降低建筑体的重心，减小地震作用时倾覆力矩，提高建筑体稳定性，优化其抗震性能。

3.构设多道抗震技术措施

构设有效的技术措施，是提高高层建筑抗震性能的重要因素。

（1）在建筑结构体系设计中保持比较充裕的内部.外部冗余度，适当处理结构构件的强弱关系，建立一系列分布的屈服区，使“有效屈服”保持较长阶段，吸收和耗散地震能量；

（2）改变结构的动力学特性，采取软垫隔震.滑移隔震.摆动隔震等方式，减少地震能量输入，减轻地震引发的结构反应；

(3）采用新型复合材料钢纤维混凝土，阻滞带基体混凝土裂缝的形成，提高建筑混凝土的抗拉.抗弯.抗剪强度，改善建筑结构的抗冲击.抗疲劳.裂后韧性和耐久性；(4）采用钢管混凝土柱。在钢管混凝土组合结构中，钢管既是纵筋，又是横向箍筋。通过钢管内混凝土受到钢管侧向约束导致的三向受压，以及钢骨本身良好的塑性，提高混凝土的延性.抗压强度和极限压应变。

参考文献：

[1]柳丽红.论高层建筑抗震设计理念[J].科技资讯,2011,(11).

[2]张刚.浅谈高层建筑的抗震设计