高层建筑抗震设计分析

闫旭梅

山西省医药规划设计院（有限公司），山西 太原 030001

0 引言

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，促使建筑功能越来越多样化，高层建筑得的发展是大势所趋。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。

1 高层建筑抗震设计特点

第一，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。

第二，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。

第三，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。

2 结构体系的合理选择

地震对建筑物的伤害主要是水平地震力所造成的剪切破坏，所以根据结构体系对抗侧力能力的不同，钢筋砼结构主要可分为框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等，这也是我国高层建筑长采用的结构形式。由于这些体系的结构形式、抵抗水平力的能力有所区别，尤其是对地震反映大不相同，因此它们适用于不同的场合。

2.1 框架结构

框架结构由框架梁、柱构件组成。其特点是柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间。框架结构的框架梁和柱既承受竖向荷载，又承受水平荷载。当建筑物高度较低、层数相对较少时，其水平荷载对结构的影响不大，这时采用框架结构还是比较合适的，既满足受力要求，也提供了很大的使用空间。但框架结构侧向刚度很小，随着建筑物高度的曾加，框架结构水平荷载分布呈现出不均匀的现象，有的楼层相对薄弱，很容易屈服。地震荷载对柱子的破坏作用要相对强烈，而对梁的破坏相对较轻，而柱子顶端的破坏比底端要严重，特别是对角柱和边柱来说破坏更加严重。短柱的剪跨比较小，发生柱中剪切破坏几率较大，对一般的柱而言，发生的是柱端弯曲破坏。故框架结构在很高的建筑中应用的不多，尤其是是采用砌体填充墙时，地震荷载作用下填充墙破坏严重，修复费用很高。

2.2 剪力墙结构

剪力墙由纵、横方向的墙体组成的抗侧力体系，属于以弯曲变形为主的结构体系。该体系的特点是，侧向刚度比较大，抗侧移能力明显优于框架结构，而且整体性好，有利于结构整体受力。因此，剪力墙结构可以用于比较高层住宅，性能稳定。但是剪力墙结构也有其自身的缺点。从动力学角度来看，刚度越大周期越短，动力反映就会越强烈，即使建筑结构抗力满足要求，建筑内设备会产生严重破坏；除此之外，剪力墙结构有大量的墙体结构采用钢筋砼而使得自重大， 对建筑平面设计产生很大局限，很难提供足够大的空间。所以，剪力墙结构主要用于高层建筑并且对建筑空间要求不大的结构中。

2.3 框架-剪力墙结构体系

框架-剪力墙结构是在框架结构中的基础上，在适当部位曾加了剪力墙，使得该结构继承和发展了框架结构和剪力墙结构的优点，既有足够的刚度也具备一些柔性。框架-剪力墙结构的特点是，不但可以满足大空间的建筑要求，建筑布置灵活，又提供了较大的侧向刚度。框架-剪力墙结构以其优越的抗震性能和灵活的空间布置、建筑功能，在当今高层建筑中得到广泛的应用。

2.4 筒体结构体系

筒体结构包括框架-核心筒结构与筒中筒结构框架-核心筒结构有外框架和内部核心筒组成。内部核心筒具有很大的刚度，很好的满足侧向变形和结构强度要求；外部框架可以提供大空间来满足建筑布置上对空间的要求。而筒中筒结构是由薄壁的内筒与密柱的外框筒组成，筒中筒结构最大的优点是具有比剪力墙结构更大的侧向刚度，抗侧移性能更好，所以，适用于超高层建筑。

每种建筑结构的抗震性能和适用的范围都不相同，并且高度不同采用的抗震等级也不尽相同，具体见表1所示。

表1 丙类建筑钢筋混凝土房屋的抗震等级

高度(m) ≤60 ＞60 ≤60 ＞60 ≤60 ＞60 ≤50框架 四 三 三 二 二 一 一剪力墙 三 二 一 一 一剪力墙结构 高度(m) ≤80 ＞80 ≤80 ＞80 ≤80 ＞80 ≤60剪力墙 四 三 三 二 二 一 一框架-剪力墙结构框架 三 二 一 一核心筒 二 二 一 一筒中筒 外筒 三 二 一 一内筒 三 二 一 一框架-核心筒筒体结构

3 结构设计的抗震措施

3.1 框架结构抗震构造措施

框架结构的抗震能力相对来说比较弱，但通过采用一些抗震措施也可以得到些许提高。以框架结构的梁为例，其必须满足以下几点要求：1）梁的截面宽度不宜小于200mm；2）梁的截面高宽比不宜大于4；3）梁的净跨与界面高度之比不宜小于4。而对于框架结构的柱子，规范规定其柱内纵向钢筋配置须满足如下措施：1）框架柱的布置必须对称；2）当柱的截面尺寸大于400mm时，其内纵向钢筋的间距不宜大于200mm；3）柱总配筋率不大于5%；4）一级且剪跨比不大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不大于1.2%；5）柱纵向钢筋的绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区。

3.2 剪力墙结构抗震构造措施

剪力墙结构中起抗震作用的主要是剪力墙，剪力墙的厚度，一、二级不应小于160mm且不小于层高的1/20，三、四级不小于140mm且不小于层高的1/25。底部加强部位的墙厚，一、二级不小于200mm且不小于层高的1/16；无端柱或翼墙时不应小于层高的1/12。剪力墙厚度大于140mm时，竖向和横向分布钢筋应双排布置；双排分布钢筋间拉筋的间距不大于600mm，直径不小于6mm；在底部加强部位，边缘构件以外的拉筋间距应适当加密。

3.3 框架-剪力墙结构抗震构造措施

该结构体系中，剪力墙的厚度不小于160mm且不小于层高的1/20，底部加强部位的剪力墙厚度不小于200mm且不小于层高的1/16，剪力墙周围设置梁和端柱组成的边框。对剪力墙中的竖向和横向钢筋来说，配筋率不小于0.25%，并双排布置，拉筋间距不大于600mm，直径不小于6mm。

3.4 筒体结构抗震措施

对框架-核心筒结构来说，核心筒与框架之间的楼盖宜采用梁板体系。当地区设防列度高于9度时设防必须采用加强层，且在对结构进行整体分析时必须要考虑加强层变形的影响。加强层的大梁或桁架应与核心筒内的墙肢贯通，大梁或桁架与周边框架柱的连接宜采用铰接或半刚接。

4 结论

在汶川地震之后，地震灾害已经成为人们关注的一个焦点。框架结构、框架-剪力墙结构以及剪力墙结构等都是被广泛应用的抗震结构形式，但是这些结构都存在着不足之处，那就是采用传统的设计理念，加强配筋，对地震灾害作用采取“硬抗”的方式，为了弥补这个不足，近几年来出现了一种新型设计-隔震房屋，隔震结构通过改变结构周期来降低地震对建筑物的伤害，由于减小了层剪力，不但保证结构的安全，也减小了室内设备的损害，有很大的发展空间。

[1]胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,2005.

[2]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[3]徐宜和,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑,2004(3).