高层建筑的结构抗震设计探讨.doc

1、高层建筑的结构抗震设计探讨【摘 要】近年来高层建筑越来越流行，但地震等自然灾害的多发影响了人们的基本生活和生命财产安全，所以，高层建筑的抗震设计是业内人士极为关注的问题之一。本文就我国目前高层建筑结构抗震设计中存在的问题，详细探讨了高层建筑的结构抗震设计措施。 【关键词】高层建筑；结构抗震；建筑材料；消能减震 一、高层建筑结构地震震害的主要类型 对地震中被毁的建筑进行分析，可以归纳出结构震害的主要类型。 （一）不规则结构建筑物破坏严重 不规则建筑物，尤其是沿竖向不规则的房屋建筑，破坏较严重。典型的有两类：一是结构底层为空旷结构，下部为薄弱层，结构底层为空旷结构的房屋大多底层为大开间框架结构，方

2、便使用。房屋震害主要表现为底层倒塌、倾斜，原因是底层形成薄弱层，刚度和强度均不足。二是突出屋面的小塔楼结构。突出屋面小塔楼由于沿竖向质量和刚度的突变，易产生鞭梢效应。在地震中绝大部分受到损坏。 （二）框架结构梁柱节点易发生破坏 震害总体情况表明，框架剪力墙结构大部分基本完好或轻微破坏，未发现严重破坏。但有少数框架结构严重破坏或倒塌。框架结构的破坏形态大部分为柱上下端破坏，或框架梁、柱节点核心区剪切破坏或压酥。破坏形式为柱端屈服破坏，属强梁弱柱形式。经常出现节点区未按规范要求配置箍筋的现象，主筋搭接也不符合规范要求，易导致节点区发生破坏。 （三）框架结构中楼梯间震害较普遍 地震中，框架结构中板式

3、楼梯破坏严重。在有些倒塌破坏的房屋中，楼梯间本应成为重要的逃生通道，但却是倒塌破坏最严重的区域。 二、我国目前高层建筑结构抗震设计中存在的问题 （一）结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层 高层建筑钢筋混凝土框架结构在整体设计上存在较大的不均匀性，使得这些结构存在着层间屈服强度特别薄弱的楼层。在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，弹塑性变形急剧发展，并形成弹塑性变形集中的现象。如 1976 年唐山大地震中，13 层蒸吸塔框架，由于该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成第 6 层和第 11 层的弹塑性变形集中，导致该结构 6 层以上全部倒塌。 （二）高度问题 按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ

4、3-2002） 规定， 在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下， 较为稳妥的， 也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物， 应当采取科学谨慎的态度： 一要有专家论证， 二要有模型振动台试验。在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等都可能发生质变。 （三）柱端与节点的破坏较为突出 框架结构的构件震害一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱

5、和边柱易发生破坏。除剪跨比小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏，轻者发生水平或斜向断裂；重者混凝土压酥，主筋外露、压屈和箍筋崩脱。当节点核芯区无箍筋约束时，节点与柱端破坏合并加重。当柱侧有强度高的砌体填充墙紧密嵌砌时，柱顶剪切破坏严重，破坏部位还可能转移至窗洞上下处，甚至出现短柱的剪切破坏。 （四）建筑材料的不科学选用 因我国建筑物主要是以钢筋混凝土核心筒为主的结构形式，并且变形的控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但是因为建筑物的弯曲变形的侧位移比较大，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，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形

6、成加强层才能满足规范侧移限值。 三、高层建筑结构抗震设计的措施 （一）减少地震能量输入 积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。 （二）使用隔震和消能减震设计 目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系 ”，即适当控制结构物的刚度 ，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具

7、有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒” 。 采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。 （三）选择合理的结构体系 1、框架结构 当建筑物层数较少时，水平荷载对结构的影响较小，采用框架结构体系比较合理，当层数较多时，由于框架结构在水平力的作用下，内力分布很不均匀，并存在着层间屈服强度特别弱的楼层，在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，发生弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，震害一般是梁轻柱重

8、，尤其是角柱和边柱更容易发生破坏，除剪跨比较小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏。因此框架结构属于以剪切变形为主的柔性结构，使用高度受到限制，主要用于非抗震设计和层数相对较少的建筑中。 2、剪力墙结构 剪力墙结构中，剪力墙沿横向、纵向正交布置或多轴线斜交布置，由钢筋砼墙体承受全部的水平荷载和竖向荷载，属于以弯曲变形为主的刚性结构。该种结构的抗侧力刚度比框架结构大的多，在水平力作用下侧向变形小，空间整体性好。由于剪力墙结构自重大，建筑平面布置局限性大，难以满足建筑内部大空间的要求。因此其更多地用于墙体布置较多，房间面积要求不太大的建筑物中，既减少了非承重隔墙的数量，也可使室内无外

9、露梁柱，达到整体美观。 3、框架剪力墙 框架剪力墙结构是指在框架结构中的适当部位增设一些剪力墙，是刚柔相结合的结构体系，在这种结构体系中，框架和剪力墙共同承担水平力，但由于两者刚度相差很大，变形形状也不相同，必须通过各层楼板使其变形一致，达到框架和剪力墙的协同工作。从受力特点看，剪力墙是以弯曲变形为主，框架是以剪切变形为主，由于变位协调，在顶部框架协助剪力墙抗震，在底部剪力墙协助框架抗震，其抗震性能由于较好的的发挥了各自的优点而大为提高。因此可以适用于各种不同高度建筑物的要求而被广泛采用。 （四）合理选择建筑材料 可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考

10、虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。从抗震角度来说，结构体系的抗震等级，其实质就是在宏观上控制不同结构的廷性要求。这要求我们应根据建设工程的各方面条件，选用符合抗震要求又经济实用的结构类别。 （五）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

11、结构。 框架剪力墙具有性能较好的多道防线抗震结构，其中的剪力墙是第一道抗震防线，也是主要的抗侧力构件。所以为保证它的承受能力较高，剪力墙要足够多。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的 20%和框架各层地震剪力最大值的 1.5 倍中两者的较小值。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁使其具有多道抗震防线性能。 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李鸿晶，宗德玲.关于工程结构抗震设防标准的几个问题的讨论J.防灾减灾工程学报，2003.2. 3于险峰.高层建筑结构抗震设计J.中国新技术新产品，2010.1.