当代高层建筑结构的抗震设计分析
关键词：高层建筑结构；抗震分析；抗震设计；位移延性系数；地震反应。
1、引言
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们更加注重建筑的美观，业主也越来越多地追求体型复杂的建筑，现在大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，往往形成结构规范所规定的不规则建筑(包括平面布置、竖向布置)，因此复杂化结构体型，对建筑结构特别是高层建筑结构设计提出了更高的要求，而正确处理好如下几个方面的设计要求，是做好高层建筑结构抗震设计工作的关键。
2、对于高层建筑抗震设计思想
国内外对建筑抗震进行了大量的研究，抗震设计理念也有多种，但是现在比较常用的主要有，概念设计和基于位移的抗震设计。
1、概念设计
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震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。
高层建筑形状力求规则和简单、建筑结构尽量对称、设置防震缝及尽可能满足建筑竖向均匀性。前三种易于理解，以下就着重介绍建筑竖向均匀性问题。均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化，其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。不均匀布置会产生了刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。结合工程实际，其均匀性问题主要表现如下：
(1)填充墙设置的影响。框架内的填充墙若设置不当，地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。例如，由于填充墙设置不当，可使框架柱形成短柱而造成破坏。为此，应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。
(2)抗震墙不连续。由于建筑上的需要，可能出现上下不连续的抗震墙，这就产生了不均匀性。为此，应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。
(3)同一层间的柱子刚度不同。建筑上由于空间需要或由于艺术构思，使得同一层间柱子的刚度差异较大，通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。为此，宜从抗震的角度重新安排结构系统，以使刚度尽量均衡。
(4)柔性层框架。建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间，使结构处于上下不连续状况，产生竖向刚度突变，特别是柔性底层建筑，在历次大地震中，震害都很普遍甚至完全倒塌。分析研究表明，这类构件的应力和变形集中是非常严重的，所以在抗震设计时应力求避免，底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移。竖向收进问题。竖向收进是常见的建筑处理方式，结构上产生的问题是在凹角处应力集中。由于房屋的不同部分其振动特征不同，所以在收进处的横隔(楼盖或屋面板)产生应力突变，为此在抗震设计时，可考虑几种处理方法：限制收进尺寸，当设置防震缝有利时，可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元，分割后的建筑体型应是均衡的，不致过分细高；不设缝时应进行较细致的空间动力分析；对刚度突变的构件采取加强措施。
2、基于位移的抗震设计
基于位移的抗震设计是一种以变形位移、层间侧移角为性能指标，进行结构及构件的设计。在这种方法中，位移是已知的给定输入量，而强度和刚度则是设计的输出结果。基于位移的抗震设计方法目前大致有：
（1）按延性系数设计方法
延性系数法是利用的延性和要求的延性对应结构或构件的需求延性，即目标延性的计算方法，将延性需求和可利用的延性作对比，以评价结构的抗震性能并用于考虑扭转影响的延性结构基于位移的设计，衡量延性的量化设计指标最常用的是曲率延性系数和位移延性系数、二者的定义为截面构件屈服后的曲率位移与屈服曲率位移之比，而设计中一般关心的是最大曲率位移延性系数。
表示塑性铰区截面的极限曲率和屈服曲率和表示延性构件的极限位移和屈服位移。按延性系数设计的方法实际上是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使得构件具有要求的延性系数。
3、不规则的建筑结构（分平面不规则和竖向不规则），应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施
1、平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：
（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。
（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。
2．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%，或小于其上相邻三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：
（1）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；
（2）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%。
3．平面不规则且竖向不规则的建筑结构，应同时符合上述1、2款的要求。
4、提高短柱抗震性能的应对措施
有抗震设防要求的高层建筑除应满足强度、刚度要求外，还要满足延性的要求。钢筋混凝土材料本身自重较大，所以对于高层建筑的底层柱，随着建筑物高度的增加，其所承担的轴力不断增加，而抗震设计对结构构件有明确的延性要求，在层高一定的情况下，提高延性就要将轴压比控制在一定的范围内而不能过大，这样则必然导致柱截面的增大，从而形成短柱，甚至成为剪跨比小于1.5的超短柱。众所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。
混凝土短柱的延性主要受轴压比的影响，同时配箍率、箍筋的形式对混凝土短柱的影响也很大。高层混凝土结构短柱，特别是结构低层的混凝土短柱，其轴压比很大，破坏时呈脆性破坏，其塑性变形能力很小。提高混凝土短柱的抗震性能，主要也就是提高混凝土短柱的延性。因此，可以从以下几方面着手，采取措施提高混凝土的抗震性能。
1、提高短柱的受压承载力
提高短柱的受压承载力可减小柱截面、提高剪跨比，从而改善整个结构的抗震性能。减小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的强度等级，即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力，降低其轴压比；但由于高强混凝土材料本身的延性较差，采用时须慎重或与其他措施配合使用。此外，可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。
2、采用钢管混凝土柱
钢管混凝土是套箍混凝土的一种特殊形式，由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，相当于配筋率2至少都在4.6%。
当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后，柱子的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。
5、总结
结构抗震设计方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防来选择合理的结构类型。注意风荷载、地震作用及竖向荷载的传递途径。把握结构破坏的机制和过程，以加强结构的关键部位和薄弱环节。把握建筑结构的整体性、承载力和刚度在平面内及沿高度均匀分布，避免突变和应力集中。注意非结构件对主体结构抗震产生的有利和不利影响，要协调布置，并保证与主体结构连接构造的可靠性。
参考文献
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