从防震角度看高层建筑结构设计

1、从防震角度看高层建筑结构设计    摘要：本文以我国高层建筑的防震设计的发展现状为切入点，从设计、施工、等几个方面进行分析，提出一些对目前结构设计中针对防震角度需给予重视的几个要点，另外对国际上结构设计针对防震所采取的一些设计手段。 关键词：高层； 结构设计； 防震 Abstract: Based on the seismic design of tall buildings in China 's development as the starting point, from the design, construction, and seve

2、ral other aspects of analysis, put forward some of the structural design for the shock angle required attention several points, in addition to the international structure design for earthquake taken by some means of design. Key words: high-rise; structure design; earthquake 中图分类号：K928.73 文献标识码：A文章编号

3、： 前言 建筑物抗震性能的好与坏，设计环节起到了关键的作用，可以说一个好的、科学的、合理的设计直接会影响到这个建筑结构的综合性能，当然这其中包括了建筑结构的抗震性能。作为一个优秀的设计者必须清楚荷载与承受荷载的结构的关系。我们知道地震作用，也就是地震荷载是一种随机性很大的、循环频率很高的、往复性很强的荷载，从地震对结构的破坏机理来看，又是十分复杂的，其中存在着很多不确定因素，如果设计者在对结构进行结构内力分析时，不能全面考虑到结构的空间作用、弹塑性性质、材料的多向物理性能等综合因素，加之计算方法还相对单一，只是靠数学力学计算恐怕难以真正保证建筑结构在承受地震荷载时具有良好的抗震能力。 上述要求

4、对我们结构设计者提出了相对较高的知识结构的要求。目前我国高层建筑抗震结构设计都遵循了如下的原则，即按抗震设计要求进行结构分析与设计，也就是将结构抗震性能作为首要保证目标，其目的是力求使所设计的结构保证强度、刚度、延性及耗能能力等各个方面都让结构发挥到最佳效果。达到上述设计目标就可以与我国抗震设计的基本要求“小震不坏，中震可修，大震不倒” 相吻合了。 一、高层建筑抗震设计原则 对于高层建筑的划分，建筑设计规范、建筑抗震设计规范、建筑防火设计规范都分别进行了不同的规定，但是从业界基本有如下约定：认为建筑总高度超过24m为高层建筑。 在建筑抗震设计过程中部分设计人员喜欢提高结构抗力，一味的增加结构刚

5、度，此种做法的弊端是结构刚度固然加大，但是在一旦发生地震，地震的作用也会相应增大，或是成倍增加。即在增加结构刚度的同时也加大了地震对结构的破坏作用，当地震发生时一般遵循这样的原则，即首先是建筑物局部受损破坏，逐渐是建筑物逐点击破；反之假设建筑物刚度过小，从力学角度而言，刚度小依靠其柔性可以消减部分外力，但是容易导致建筑物产生大尺寸的形变，结果是同样不能使用，更严重的是地震发生时，变形过大会直接导致结构整体倾覆。可见在高层建筑物设计过程中必须坚持刚柔相济的原则，即要求建筑物在地震过程中，除了对其变形的要求，还要保证减小地震力对结构的破坏的双重目标。 在设计角度做到几道设防或是多道设防，其初衷是由

6、于每次强震之后，还会发生若干次余震，这就要求我们在建筑物的抗震设计过程中不能只做一道设防，另外在第一次强震后，结构被破坏，其后的余震来临时，结构将因为多次的余震积累而产生倒塌，因此，建筑物的抗震结构体系必须由若干道设防体系所构成，即由几个延性较好的子体系构成，一旦地震荷载形成，这些具有较好延性的子体系共同作用，相应的结构构件对应的工作，进而来分解地震对结构产生的作用。 二、科学选择合理的结构形式 高层建筑的竖向荷载一般以自重为主，包括部分活荷载，其作用效果主要是使结构产生竖直方向的轴向力，而风荷载等水平荷载主要产生弯矩。竖向荷载方向基本是不变的，但是随着建筑高度改变而改变，水平荷载则是多个水平

7、轴线方向，相比而言竖向荷载造成的建筑物的侧位移量很小，而水平荷载造成的侧位移则很大，是结构高度的四次方的数量级，可见高层建筑结构中水平荷载对结构的影响远远大于竖向荷载造成的影响，因此重点控制水平荷载是结构设计的关键因素。在设计过程中首先就要满足建筑功能，其次是抗震性能良好，之后就要选择合理有效的结构类型，并保证其具有良好的结构性能。高层结构世界范围内采用较多的结构形式是钢混结构、钢结构，其中钢混结构具有刚度较大、空间整体性能优越、可选择的材料资源丰富等优点而被广泛应用，但其自重大、抵抗塑性变形能力差、易发生共振等缺点也是为设计者所头疼；钢结构相对而言自重较轻、强度更高、抗震性能更好、施工简单、

8、施工周期短等优点，但其造价过高也影响了其广泛推广。 三、重视震时荷载对结构的影响 经过多次震后数据分析及模拟结果表明，当建筑结构的平面布置不对称导致了建筑层间水平荷载合力中心与建筑结构刚度中心不重合时，在地震荷载作用时建筑结构除了产生水平位移外还常常伴随扭转破坏，严重的会导致结构整体倒塌。可见结构扭转破坏的影响不容忽视。由于结构在扭转作用下距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元产生的层间侧移最大；在刚度不均匀变化的结构中，不同竖向位置的刚度中心分布在多条轴线上，进而产生较大差距，上述情况会使各层结构的偏心距和扭矩产生变化，这样就要求在设计过程中修正不同位置的扭转系数。具体做法为当结构刚度有较小富余量

9、时，可均衡加强建筑外侧刚度，当较大富余量出现时则采取在加强外围刚度的同时，做到均衡的削弱结构内部中心抗水平荷载的构件刚度的方法进行处理。当结构位移比较大，则应采取增加最大位移处的承载构件的刚度，同时减小最小处位移处的承载构件的刚度、一般可在最大位移处加设剪力墙、增加框架部分的侧向刚度以及设置防震缝等措施，将不规则的平面重新划分为相对较小的规则平面群的方法进行处理。 四、结构外形系数及层间位移对抗震性能的影响 高层建筑物的设计要求必须满足抗震要求的设计原则，所以设计之初对建筑进行合理的分配与布置是十分必要的，很多地震灾害资料表明，平立面采用简单线条，总立面采用对称的结构类型是比较科学的，此类建筑

10、物在地震时表现出较好的抗震性能，破坏程度远远小于其他的建筑结构。究其原因是该类结构建筑容易估计出其地震荷载对其影响。设计师可以有的放矢的采取相应的抗震构造措施来减小地震荷载的影响并对细部合理处理。建筑结构的规则性即为建筑物平立面的外形尺寸及比例关系、抗水平力构件的分配和布置、荷载分布等多方面因素要求。应该保证建筑物的立面要对称均匀，设计简单的外体型，结构刚度不宜变化过大，质量发布遵循沿竖向高度均匀变化，同时应确保建筑物有满足抵抗要求的扭转刚度，尽量减小结构在地震中受较大扭矩的破坏，并应尽可能将建筑物的自重荷载在竖向上均匀分布，以尽量减小结构内部复合应力的综合作用，另外构件间的变形差异也会对建筑

11、结构产生的较大的破坏，这在设计中要给与足够的重视。 目前，由于城市发展用地紧张等因素，高层建筑的高宽比都设计的比较大，这样的结构在风力和地震作用等水平应力作用下往往能够产生较大的层间位移，在设计中甚至会超过结构的位移限值的危险情况。国内设计者一般认为该位移限值的大小与以下因素有关：1、结构材料的力学性能；2、结构体系情况；3、外墙装修标准；4、侧向荷载分布情况。从结构分类来说，一般钢筋混凝土结构的位移限值(一般在l400l700范围内)要求比钢结构(1200l500范围内)要求严格。从水平荷载分类来说，风荷载的作用限值比地震荷载作用的限值要求更严格。因此在进行高层建筑结构设计时，除了上述我们论述的原则外，还应根据建筑物的实际情况以及结构所处的地理位置综合考虑，再进行分析设计。 五、结语 建筑相关科学发展的及其迅速，新型结构、高性能材料大量的出现，使结构设计者对自己的要求也越来越高，我国的建筑设计水平也势必再上新的台阶，新型结构和新型材料如果达到批量使用的标准，必须满足作为建筑物的最基本的使用功能和外观要求，同时，需要从抗震角度给予重视，从设