高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)

（河北 石家莊 052460）

一、地震作用對(duì)高層建筑的影響分析

（一）對(duì)高層建筑構(gòu)件形式方面

1.在高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中，通常地震對(duì)板和梁的破壞程度輕于柱。

2.地震作用經(jīng)常在多肢剪力墻（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的窗下引起交叉斜向的裂縫。

3.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，如長(zhǎng)、短柱并用于同一樓層，長(zhǎng)柱受損害較輕。

（二）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)體系方面

1.對(duì)于鋼筋混凝土板、柱體系的高層建筑，各層樓板因樓層柱腳破壞或者側(cè)移過(guò)大以及樓板沖切等因素而在地面墜落重疊。

2.對(duì)于框架結(jié)構(gòu)體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，容易發(fā)生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現(xiàn)象；地震對(duì)采用敞開(kāi)式框架間未砌磚墻的底層破壞嚴(yán)重。

3.對(duì)于框架-抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大。

（三）對(duì)高層建筑地基方面

1.如果地基自振周期與高層建筑結(jié)構(gòu)的基本周期相同或相近，地震作用因共振效應(yīng)而增加。

2.如果高層建筑處在危險(xiǎn)和地形不利的區(qū)域，則容易使高層建筑因地基破壞而受損。

3.地基處地質(zhì)不均勻，在地震作用下容易使上部結(jié)構(gòu)傾斜甚至倒塌。

4.若高層建筑的地基處有較厚的軟弱沖積土層，則地震作用對(duì)高層建筑的損害顯著增大。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的理論分析

（一）建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范

《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》實(shí)際上是各國(guó)建筑抗震經(jīng)驗(yàn)帶有權(quán)威性的總結(jié)，是指導(dǎo)建筑抗震設(shè)計(jì)(包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算，結(jié)構(gòu)抗震措施以及地基抗震分析等主要內(nèi)容)的法定性文件它既反映了各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的時(shí)代水平，又反映了各個(gè)國(guó)家的具體抗震實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。它雖然受抗震有關(guān)科學(xué)理論的引導(dǎo)，向技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的方向發(fā)展，但它更要有堅(jiān)定的工程實(shí)踐基礎(chǔ)，把建筑工程的安全性放在首位，容不得半點(diǎn)冒險(xiǎn)和不實(shí)。正是基于這種認(rèn)識(shí)，現(xiàn)代規(guī)范中的條文有的被列為強(qiáng)制性條文，有的條文中用了“嚴(yán)禁，不得，不許，不宜”等體現(xiàn)不同程度限制性和“必須，應(yīng)該，宜于，可以”等體現(xiàn)不同程度靈活性的用詞。

（二）抗震設(shè)計(jì)的理論

1.靜力理論。靜力理論是20世紀(jì)10～40年代發(fā)展起來(lái)的一種理論，它在估計(jì)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，僅假定結(jié)構(gòu)為剛性，地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心上。地震力的大小當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個(gè)比例常數(shù)(地震系數(shù))。

2.反應(yīng)譜理論。反應(yīng)譜理論是在20世紀(jì)40～60年代發(fā)展起來(lái)的，它以強(qiáng)地震動(dòng)加速度觀測(cè)記錄的增多和對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)特性的進(jìn)一步了解，以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性的研究為基礎(chǔ)，是加理工學(xué)院的一些研究學(xué)者對(duì)地震動(dòng)加速度記錄的特性進(jìn)行分析后取得的一個(gè)重要成果。

3.動(dòng)力理論。動(dòng)力理論是20世紀(jì)70～80年廣為應(yīng)用的地震動(dòng)力理論。它的發(fā)展除了基于60年代以來(lái)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展外，人們對(duì)各類結(jié)構(gòu)在地震作用下的線性與非線性反應(yīng)過(guò)程有了較多的了解，同時(shí)隨著強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站的不斷增多，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也不斷增多。進(jìn)一步動(dòng)力理論也稱地震時(shí)程分析理論，它把地震作為一個(gè)時(shí)間過(guò)程，選擇有代表性的地震動(dòng)加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入，建筑物簡(jiǎn)化為多自由度體系，計(jì)算得到每一時(shí)刻建筑物的地震反應(yīng)，從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

（一）強(qiáng)柱弱梁思路

為避免框架倒塌，提倡采用強(qiáng)柱弱梁框架結(jié)構(gòu)。在單一的框架結(jié)構(gòu)中，框架是唯一的抗側(cè)力構(gòu)件，那么采用強(qiáng)柱弱梁型延性框架，在水平地震力的作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的變形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。

（二）選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

由于高層建筑中抗水平力成為設(shè)計(jì)的主要矛盾，因此采用何種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。根據(jù)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的不同，鋼筋砼結(jié)構(gòu)主要可分為框架結(jié)構(gòu)、框架——剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)體系，這些體系的受力特點(diǎn)、抵抗水平力的能力，特別是抗震性能等有所不同，因此具有不同的適用范圍。

1.框架結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由梁、柱構(gòu)件通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成，框架梁和柱既承受垂直荷載，又承受水平荷載，并可為建筑提供靈活布置的室內(nèi)空間。由于框架結(jié)構(gòu)在水平力的作用下，內(nèi)力分布很不均勻，并存在著層間屈服強(qiáng)度特別弱的樓層，且由于框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面慣性矩相對(duì)較小，導(dǎo)致側(cè)向剛度較小，側(cè)向變形較大，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱層率先屈服，發(fā)生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發(fā)生破壞，除剪跨比較小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此框架結(jié)構(gòu)屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，使用高度受到限制，主要用于非抗震設(shè)計(jì)和層數(shù)相對(duì)較少的建筑中。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)大的多，在水平力作用下側(cè)向變形小，空間整體性好。

（四）增多抗震防線

高層建筑結(jié)構(gòu)防震可以設(shè)置多道抗震防線，增強(qiáng)對(duì)地震的抵抗力。高層建筑物設(shè)置多層的地震抵抗防線，第一道防線遭到破壞之后，有后備的第二道、第三道甚至更多的防線對(duì)地震的作用力進(jìn)行阻擋，避免高層建筑物的倒塌。

框架剪力墻具有性能較好的多道防線抗震結(jié)構(gòu)，其中的剪力墻是第一道抗震防線，也是主要的抗側(cè)力構(gòu)件。為保證它的承受能力，剪力墻要足夠多。同時(shí)，為承受剪力墻開(kāi)裂后重分配的地震作用，任一層框架部分按框架和墻協(xié)同工作分配的地震剪力，不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5倍中兩者的較小值。剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻可以通過(guò)合理設(shè)置連梁（包括非建筑功能需要的開(kāi)洞組成多肢聯(lián)肢墻）使其具有多道抗震防線性能。