刍议高层建筑中抗震设计必要性

　　摘 要： 在高层建筑设计中，抗震设计是必不可少的1个环节，阐述了高层建筑抗震设计思想和原则，探讨了抗震设计中的细节及抗震材料。

　　关键词：高层建筑；抗震设计；原则；材料

　　中图分类号：TU972        文献标识码：  A       文章编号：2095-0802-(2012)07-00  -0

　　Analysis on the Necessity of High-rise Building in Seismic Design

　　WANG Dao-xing

　　(Qinghai people's Air Defense Engineering Design and Research Institute, Xining 810001, Qinghai, China)

　　Abstract : In the design of high-rise buildings, seismic design is an essential link in the seismic design of high-rise building, this paper expounds the design ideas and principles, as in seismic design and seismic materials were discussed in detail.

　　Key words: high-rise building; seismic design; principle; material

　　1建筑抗震设计思想

　　建筑抗震设计要考虑1个地区既要有发生小震的可能，也要考虑发生大震的可能，并根据安全和经济的原则进行抗震设防，这就是抗震设计要确定的设计思想。中国现行抗震规范《建筑抗震设计规范》（GB5001l－2001）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。

　　1.1当建筑物遭遇低于本地区设防烈度的多遇地震(或称"小震")影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用；

　　1.2当遭受本地区设防烈度(或基本烈度)地震作用时，允许结构能够达到或超过屈服极限，经过一般修理或不需修理仍可继续使用；

　　1.3 当遭遇高于本地设防烈度的预估罕遇地震(或称大震)影响时，建筑物不倒塌或不发生危及生命的严重破坏。一个地区发生超过预期的强烈地震是可能的，因此，建筑物在使用期内，应考虑一旦遇到这种大震而不致倒塌。

　　在罕遇地震作用下，只要结构不倒塌，便可保护人们的生命和财产安全。抗震计算的目的是用定量方法估计地震反应，以保证结构有足够的刚度和承载能力。我国抗震规范要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力和位移，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，要用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法补充计算，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，再校核在大震作用下结构弹塑性变形的设计方法，即为两阶段设计方法。

　　2抗震概念设计的原则

　　概念设计是相对于数值设计而言着眼于结构的总体地震反应,可以理解为运用人的思维和判断能力,从宏观上决定结构设计中的基本问题。抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。

　　2.1 结构的简单性。结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径。GB50011-2001 建筑抗震设计规范 第3.5.2条作为强制性条文要求，"结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。"只有结构简单，才能够对结构的计算模型、内力与位移分析，限制薄弱部位的出现易于把握，因而对结构抗震性能的估计也比较可靠；

　　2.2 结构的规则性和均匀性。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第3.4.2条要求，"建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面布置宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，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，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。"平面布置均匀规则，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。

　　2.3结构的刚度和抗震能力水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力，结构的抗震能力则是结构强度及延性的综合反映。结构刚度的选择既要减少地震作用效应又要注意控制结构变形的增大，过大的变形会产生重力二阶效应，导致结构破坏、失稳。结构应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力，现有的抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在抗震概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力；

　　2.4结构的整体性在高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用，楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要求这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能协同工作。

　　3高层建筑抗震设计中材料的选用和结构体系问题

　　在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。中国150 m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框-筒、筒中筒和框架-支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。中国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架-核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。

　　4基于位移的结构抗震设计

　　为了实现基于位移的抗震设计，第一步需要研究简单结构（例如框架及悬臂墙）的构件变形与配筋关系，实现按变形要求进行构件设计；进而研究整个结构进入弹塑性后的变形与构件变形的关系。这就要求除了小震阶段的计算外，还要按大震作用下的变形进行设计，也就是真正实现二阶段抗震设计，这是结构抗震设计的发展趋势。

　　5不规则的建筑结构设计

　　5.1平面不规则而竖向规则的建筑结构

　　5.1.1 扭转不规则时（位移比超过了1.2倍的限值），应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍；

　　5.1.2 当楼板凹凸不规则或楼板局部不连续，或当楼板过于狭长、平面内变形明显时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型（如弹性楼板或局部弹性楼板），当平面不对称时尚应计及扭转影响。抗震构造措施：当中央部分楼板有较大削弱时，应加强楼板以及连接墙体的构造措施，必要时可在外伸凹槽处设置连接梁或连接板；

　　5.2平面规则而竖向不规则的建筑结构

　　平面规则而竖向不规则的建筑结构，当层刚度比不能满足规范要求时（即该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻3个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%），说明结构的竖向不规则。此时，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求：a) 竖向抗侧力构件不连续时即竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架)向下传递，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25～1.5的增大系数；b） 楼层承载力突变时（即抗侧力结构的层间的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的80%），薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%；

　　6结语

　　自20世纪90年代后，高层建筑结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的日程，特别是中国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务。