高层建筑结构抗震分析和设计

苏红珍 于琼

摘要：我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务。作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗震分析处于非常重要的地位。本文对高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容进行了分析，说明了高层建筑结构抗震设计的相关要求，并详细阐述了高层建筑结构抗震设计的措施。

关键词：高层建筑；结构抗震；减隔震；延性设计；材料

一、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，结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分。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（GB50021-2001）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。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，即二阶段设计方法。同时规范还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。

（一）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。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。但无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时程分析，计算结果受地震波的影响较大且不存在唯一答案，有时难以判断。

（二）弹塑性静力分析方法

上世纪九十年代中期一些学者相继提出弹塑性静力分析方法（Push-over Analysis）用于结构抗震分析。这种方法并非创新，但有较多优点。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--预点侧移”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，只与初始楼层水平荷载的分布有关。

二、高层建筑结构抗震设计的相关要求

（一）抗震等级的确定

1、抗震等级

是设计部门依据国家有关规定，按“建筑物重要性分类与设防标准”，根据烈度、结构类型和房屋高度等，而采用不同抗震等级进行的具体设计。以钢筋混凝土框架结构为例，抗震等级划分为四级，以表示其很严重、严重、较严重及一般的四个级别。

2、地震烈度

是国家主管部门根据地理、地质和历史资料，经科学勘查和验证，对我国主要城市和地区进行的抗震设防与地震分组的经验数值，是地域概念。抗震设防类别分为甲、乙、丁类建筑，全国大部分地区的房屋抗震设防烈度一般为8度。

（二）抗震措施的要求

1.甲类、乙类建筑

当本地区的抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当本地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。

2.丙类建筑

应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为I 类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施. 按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级烈度，按调整后的抗震等级烈度。

3、抗震设计时，多高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。

4、房屋高度大、柱距较大而柱中轴力较大时，宜采用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱，或采用高强度混凝土柱。

三、高层建筑结构抗震设计的方法

（一）减少地震发生时能量的输入

在具体的设计中，积极采用基于位移的结构抗震方法，对具体的方案进行定量分析，使结构的变形弹性满足预期地震作用力下的变形需求。对建筑构件的承载力进行验收的同时，还要控制建筑结构在地震作用下的层间位移限值；并且根据建筑构件的变形和建筑结构的位移之间的关系，确定构件的变形值；根据建筑界面的应变分布以及大小，来确定建筑构件的构造需求。对于高层建筑，在坚固的场地上进行建筑施工，可以有效减少地震发生作用时能量的输入，从而减弱地震对高层建筑的破坏。

（二）运用高延性设计、推广消震和隔震措施

在我国，许多高层建筑进行抗震设计时，多采用延性结构，也就是适当控制建筑结构的刚度，允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态，从而消耗地震作用时的能量，使地震反应减小，减弱地震给高层建筑带来的破坏。如果某高层建筑的承载能力较小，但是具有较高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因为延性构件可以吸收较多的能量，经受住很大的结构变形。延性结构的运用，在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。

进入20世纪以来，人们对建筑物抗振动能力的提高做出了巨大的努力，取得了显著的成果，其中阻尼器的使用在高层建筑的抗震方面有很大的作用。通过对使用阻尼器进行减震和能量的吸收，可以巧妙地避免或减弱地震对高层建筑的破坏。

（三）注重抗震结构的设计

高层建筑抗震设計的结构应该得到人们的重视。我国150米以上的建筑，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。我国钢材生产数量较大，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此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，改善结构的抗震性能。

在高层建筑结构的抗震设计中，可以从传统的硬性为主的抗震模式向以柔性为主的抗震模式转变，实现以柔克刚、刚柔相济的目的，有效地减弱地震作用过程中释放的冲击力。

（四）增多抗震防线

高层建筑结构防震可以设置多道抗震防线，增强对地震的抵抗力。高层建筑物设置多层的地震抵抗防线，第一道防线遭到破坏之后，有后备的第二道、第三道甚至更多的防线对地震的作用力进行阻挡，避免高层建筑物的倒塌。高层建筑结构进行抵抗地震设计时，可以采用具有多个肢节和壁式框架的“框架剪力墙”等防震结构。

（五）重视建筑材料的选择

在高层建筑的抗震方案设计中，建筑材料的选择也非常重要。首先，我们可以对建筑材料的参数进行抗震性能分析，从整体上对材料的参数变异性进行研究，不能仅考虑建筑材料的承载力而忽略其他因素。从抵抗地震的角度来讲，就是要控制建筑结构的延性需求，这就要求我们从高层建筑建设施工的各方面来选择符合抗震需求而且经济适用的建筑结构材料。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].中国建筑工业出版社，2010.

[2]于险峰.高层建筑结构抗震设计[J].中国新技术新产品，2010.1.

[3]陈维东.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].中国高新技术企业，2009.5.