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【關鍵詞】高層建筑；抗震；結構設計
現今，我國的大部分城市內都是高樓聳立，對于高層建筑結構的設計是一項較復雜責任繁重的系統工程，尤其是抗震的結構設計，其設計的好壞將直接影響高層建筑的工程質量，特別是在地震多發區，因此，這就需要設計人員要充分認識高層建筑抗震結構設計中容易出現的問題，不斷進行總結和改進，以完善高層建筑的抗震結構設計。
1 高層建筑抗震結構設計中的常見問題
1.1 高層建筑的高度問題
根據我國現行的相關結構技術規定，在一定設防烈度和一定結構型式下，鋼筋混凝土高層建筑要有一個適宜的高度。也就是說，在這個高度的范圍內，建筑的抗震性能是比較可靠地，但是目前，存在少數的高層建筑的高度超過了規定的范圍，如果在地震力的作用下，極易改變超過限制的高層建筑物的變形破壞性態以及其他影響因素，那么就會大大降低高層建筑的抗震能力，對于抗震結構設計的一些相關參數也要重新選取。
1.2 結構體系以及建筑材料的選用
結構體系以及建筑材料的選用對于高層建筑的抗震性能具有非常重要的意義，尤其是在地震的多發區，更應該重視科學合理的結構體系以及建筑材料的選用。在我國，多部分的高層建筑結構體系是鋼筋混凝土核心筒以及混合結構為主，所以對于變形的控制通常要以這種結構的位移值為基準。但是，這種情況下，如果發生彎曲變形，導致的側移會比較大，進而增加鋼結構的承受壓力，為了保證效果，使其控制在規范的側移值內，通常需要設置伸臂結構或加大混凝土筒的剛度。
1.3 抗震設防烈度過低
根據可靠的數據以及專家分析，我國現行的高層建筑抗震的結構設計的安全度遠遠不能滿足社會的需求，有數據顯示，我國的高層建筑抗震實際的安全度很可能是世界上最低的一個國家。在經濟科技都快速發展的情況下，我國的高層建筑抗震結構的設計原則，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，在這種新形勢下，有必要進行重新的修訂。由于我國現行的高層建筑抗震結構的設防標準過低，由于其結構失效，經常會導致嚴重的后果。
1.4 軸壓比與短柱問題
在高層建筑結構設計中，如果是采用鋼筋混凝土的結構體系中，為了控制柱的軸壓比，增加柱的橫斷面，而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋。對柱的軸壓比進行限制主要是為了使柱子處于較大的偏壓狀態下，避免受拉鋼筋的破損，進而降低高層建筑的整體結構延性。
2 高層建筑抗震結構設計的原則以及基本方法
2.1 抗震結構的設計原則
2.1.1 結構設計的整體性
高層建筑的樓蓋對于其結構的整體性占據著不可或缺的位置。樓蓋就類似于一個橫向的水平隔板，將慣性力聚集起來，并向各個豎向抗側力的子結構傳遞，尤其是當這些子結構的布置不均勻或過于復雜時，樓蓋就可以很好的將這些抗側力子結構組織起來，進行協同合作，來承受地震的作用。
2.1.2 結構設計的簡單性
高層建筑結構設計的簡單性主要是指在地震的作用下，具有極其明確清晰的直接傳力方式。在相關的規范中對于結構體系有明確的要求，即結構體系要有明確的計算簡圖以及合理的地震作用傳遞途徑。換句話說，只有高層建筑結構的設計越簡單，才能夠分析出結構的計算模型、內力以及位移，進而提高對高層建筑結構的抗震性能的預測的可靠性。
2.2 抗震結構的設計方法
2.2.1 基于水平位移的抗震結構設計
基于水平位移的抗震結構設計主要是為了使結構的變形能力能夠保持在預期的地震作用下（通常是在大地震的情況下）的變形要求。此外，要根據界面的應變大小以及分布，來確定建筑的構件標準，同時在確定構件的變形值時，要以構件的變形以及其與結構位移的關系來確定。首先，要充分研究高層建筑的一些簡單結構的構件變形，以及其與配筋的關系，嚴格按照變形的要求來設計合理的構件，進而對建筑的整體結構進入彈塑性后的變形與構件變形的關系。因此，這時就要設計在大地震的作用下的變形，這也將是高層建筑抗震結構的未來的發展趨勢。
2.2.2 推廣使用隔震和消能減震設計
現今，在高層建筑的抗震設計中，多采用的是傳統的抗震結構體系，也就是延性結構體系，主要是控制建筑結構的剛度，如果發生地震，就會使建筑的構件進入非彈性的狀態中，使其具有較大的延性，進而有助于地震作用下的能量的消耗，盡可能的減小地震效應，避免建筑物的倒塌。此外，通過采用相關的隔震措施，如軟墊隔震、擺動隔震以及滑移隔震等，可以改變高層建筑的動力特性，進而減少所受到的地震能量的作用，同時通過采用高延性構件，也可以增加高層建筑結構的耗能能力，有助于減輕地震效應。
2.2.3 降低高層建筑結構的自重
如若是在相同的地基承載能力條件下，降低高層建筑結構的自身重量可以使在不增加地基以及其造價的情況下，可以在相關的規定范圍內，尤其是在軟土層的地基上，可以增加高層建筑的層數。研究顯示，由于高層建筑的高度很大，重心也相應較高，所以，建筑的重量越大，受地震作用的傾覆力矩的效應就越大。
因此，在高層建筑的抗震結構設計中，要盡量采用輕質材料來填充高層建筑物的填充墻及隔墻。
2.2.4 設置多道抗震防線
通常在地震后都會伴有多次的余震，那么對于高層建筑結構如果只設置一道抗震防線，往往會只因首次的強烈地震就會遭到嚴重的破損，甚至倒塌。因此，有必要對高層建筑設置多道抗震防線。在一個高層建筑的抗震體系下，應該由多個延性較好的分體系組成，當第一道抗震防線遭到沖擊時，其他的抗震防線便能夠接替第一道防線繼續抵擋隨后的地震沖擊，通過多道防線的協同合作，可有效地防止高層建筑的倒塌。
3 高層建筑抗震結構設計的前景
雖然我國的高層建筑水平穩步的提升，但是在高層建筑抗震的結構設計中仍然面臨很多新的問題和挑戰。其中，首先對于影響高層建筑抗震結構的設計效果的關鍵因素就是建筑材料的選用，提高每一項建筑材料的抗震指標可以很好地提高高層建筑的整體抗震性能，因此，科研人員要加強對于新型復合高性能的建筑材料的研發，以促進抗震技術，進而滿足高層建筑抗震結構設計的需求。其次，對于不同的抗震能力的需求，要采取相應的抗震措施，設置是對于同一個高層建筑的不同部位和樓層以及對于性能的要求不同時，都要選用不同的標準的構件。因此，高層建筑抗震結構的設計人員在實際工作中，要根據自身的專業水平知識以及實際經驗，并結合對具體的高層建筑的抗震性能要求及措施，來設計出符合抗震設防烈度標準的高層建筑結構。另外，高層建筑的抗震結構體系也開始逐漸以柔性為主，而不在是傳統中的以硬性為主的結構體系。最后，對于高層建筑抗震結構的計算方式也發生了改變，即從線性分析向非線性分析轉變，從確定性分析向非確定性分析轉變，從振型分解反應分析向時程分析法轉變。
4 總結：
綜上所述，高層建筑的抗震結構設計是整個建筑工程的關鍵環節，但是在我國高層建筑的抗震結構設計上處于起步階段，仍需要進一步的完善。因此，設計人員用綜合多方面的因素進行分析，同時，結合新型的高性能材料以及抗震結構理念，以提高高層建筑抗震結構的設計水平，進而促進我國高層建筑的抗震結構設計方法的發展。
參考文獻：
[1]李志．高層建筑抗震設計分析[J]．中外建筑，2010（1）.
關鍵詞：高層建筑；抗震；結構設計；淺析
中圖分類號：TU9文獻標識碼：A文章編號：2095-2104（2012）
結構工程師按抗震設計要求進行結構分析與設計，其目標是希望使所設計的結構在強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，從而經濟地實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一種隨機性很強的循環、往復荷載，建筑物的地震破壞機理又十分復雜，存在著許多模糊和不確定因素，在結構內力分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，計算 方法還很不完善，單靠微觀的數學力學計算還很難使建筑結構在遭遇地震時真正確保具有良好的抗震能力。
鋼筋混凝土高層建筑結構的抗震設計方法和技術是不斷變化和進步的，我們在設計時要選用適合的抗震結構，注重建筑結構材料的選擇，減小地震的作用力，增強地震的抵抗力，從而達到高層建筑抗震的目的。
1 鋼筋混凝土高層建筑抗震設計存在的問題
1.1 工程地質勘查資料不全
在設計初期，設計人員應該及時掌握施工場地的地質情況，但是往往在設計過程中，卻沒有建筑場地巖土工程的勘察資料，就不能很好的進行地基設計，給建筑物的結構帶來安全隱患。
1.2 建筑材料不滿足要求
對于材料而言，我們要明確這樣一個道理:地震對結構作用的大小幾乎與結構的質量成正比。一般說在相同條件下，質量大，地震作用就大，震害程度就大，質量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑物的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻以及屋面構件中，廣泛采用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶粒混凝土、加氣混凝土板、空心塑料板材等輕質材料，將能顯著改善建筑物的抗震性能。
1.3 建筑物本身的建筑結構設計
建筑物如果平面布置復雜，致使質心與剛心不重合，在地震作用下產生扭轉效應，加劇了地震的破壞作用，海城地震和唐山地震中有不少類似震害實例。臺灣 9.21 地震中，一棟鋼筋混凝土結構由于結構平面不規則，在水平地震作用下，結構產生嚴重扭轉效應而破壞倒塌，同時撞壞相鄰建筑上部的陽臺。
1.4 平面布局的剛度不均
抗震設計要求建筑的平、立面布置宜規正、對稱，建筑的質量分布和剛度變化宜均勻，否則應考慮其不利影響。但有的平面設計存在嚴重的不對稱：一邊進深大，一邊進深小；一邊設計大開間，一邊為小房間；一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。 平面形狀采用 L、π 形不規則平面等，造成了縱向剛度不均，而底層作為汽車庫的住宅，一側為進出車需要，取消全部外縱墻，另一側不需進出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均。 這些都對抗震極為不利。
1.5 防震縫設置不規范
對于高層建筑存在下列三種情況時，宜設防震縫：平面各項尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》(JGJ3-91)中表 2.2.3 的限值而無加強措施；房屋有較大錯層；各部分結構的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施；但有的竟未采取任何抗震措施又未設防震縫。
1.6 結構抗震等級掌握不準
結構抗震等級有的提高了，而有的又降低了，主要是對場地土類型、結構類型、建筑高度、設防烈度等因素綜合評定不準造成。
上述這些問題的存在，倘若不能得到改正，勢必對建筑物的安全帶來隱患。上述這些問題的原因是多方面的，這就需要設計人員從設計的角度避免這些問題的出現，防止將這種問題帶入施工中，應該高層建筑的抗震性能。
2 高層建筑抗震設計對策
2.1 結構規則性
建筑物尤其是高層建筑物設計應符合抗震概念設計要求，對建筑進行合理的布置，大量地震災害表明，平立面簡單且對稱的結構類型建筑物在地震時具有較好的抗震性能，因為該種結構建筑容易估計出其地震反映，易于采取相應的抗震構造措施并且進行細部處理。建筑結構的規則性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗側力構件布置、承載力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面對稱均勻，體型簡單，結構剛度，質量沿建筑物豎向變化均勻，同時應保證建筑物有足夠的扭轉剛度以減小結構的扭轉影響，并應盡量滿足建筑物在豎向上重力荷載受力均勻，以盡量減小結構內應力和豎向構件間差異變形對建筑結構產生的不利影響。
2.2 層間位移限制
高層建筑都具有較大的高寬比，其在風力和地震作用下往往能夠產生較大的層間位移， 甚至會超過結構的位移限值。而國內普遍認為該位移限值大小與結構材料、結構體系甚至裝修標準以及側向荷載等諸多因素有關，其中鋼筋混凝土結構的位移限值(一般在 1/400-1/700 范圍內)則比鋼結構(1/200-1/500 范圍內)要求嚴格 ，風荷載作用下的限值比地震作用下的要求嚴格。 因此在進行高層建筑結構設計時應根據建筑物的實際情況以及所處的地理位置進行設計，既要滿足其具有足夠的剛度又要避免結構在水平荷載的作用下產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性以及正常使用功能等。
2.3 控制地震扭轉效應
大量事實表明，當建筑結構的平面布置等不規則、不對稱導致建筑層間水平荷載合力中心與建筑結構剛度中心不重合，在地震發生時建筑結構除發生水平位移外還易發生扭轉性破壞甚至會導致結構整體倒塌，因此在結構設計中應充分重視扭轉的影響。由于建筑物在扭轉作用下各片抗側力結構的層間變形不同，其中距剛心較遠的結構邊緣的抗側力單元的層間側移最大;同時在上下剛度不均勻變化的結構中，各層的剛度中心未能在同一軸線上，甚至會產生較大差距，以上情況都會使各層結構的偏心距和扭矩發生改變，因此，在設計過程中應對各層的扭轉修正系數分別計算。 計算時應主要控制周期比、位移比兩個重要指標，即當兩個控制參數的計算結果不能滿足要求時則必須對其進行調整。當周期比不滿足要求時可采用加大抗側力構件截面或增加抗側力構件數量的方法，并應將抗側力構件盡可能的均勻布置在建筑四周，以減小剛度中心與質量中心的相對偏心，若調整構件剛度不能滿足效果時則應調整抗側力構件布置，以增大結構抗扭剛度。
2.4 減小地震能量輸入
具有良好抗震性能的高層建筑結構要求結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求，因此在設計過程中除了控制構件的承載力外還應控制結構在地震作用下的層間位移極限值或位移延性比，然后根據構件變形與結構位移的關系來確定構件的變形值，同時根據截面達到的應變大小及分布來確定構件的構造要求，選擇堅硬的場地土來建造高層建筑等方法來減小地震能量的輸入。
2.5 減輕結構自重
對于同樣的地基條件下進行建筑結構設計若減輕結構自重則可相應增加層數或減少地基處理造價，尤其是在軟土基礎上進行結構設計這一作用更為明顯，同時由于地震效應
與建筑質量成正比，而高層建筑由于其高度大重心高等特點，在地震作用時其傾覆力矩也隨之增加，因此，為了盡量減小其傾覆力矩應對高層建筑物的填充墻及隔墻盡量采用輕質材料以減輕結構自重。
2.6 選擇合理結構類型
高層建筑的豎向荷載主要使結構產生軸向力，水平荷載主要產生彎矩。其豎向荷載方向不變，但隨著建筑高度增加而增加，水平荷載則來自任何方向，因此豎向荷載引起建筑物的側移量非常小，而水平荷載產生的側移則與高度成四次方變化，即在高層結構中水平荷載的影響遠遠大于豎向荷載的影響，因此水平荷載應為設計的主要控制因素，在設計過程中應需在滿足建筑功能及抗震性能的前提下選擇切實可行的結構類型，使其具有良好的結構性能。
2.7 盡可能設置多道抗震防線
當發生強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。
3 結束語
隨著我國經濟的快速發展，高層建筑也越來越多，在這種情況下必須做好抗震設計。設計人員在高層建筑抗震設計中，都是按照抗震結構設計規范進行的，他們希望設計的結構能夠達到強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，為此從結構總體方案設計一開始，就運用人們對建筑結構抗震己有的正確知識去處理好結構設計中遇到的諸如房屋體型、結構體系、剛度分布，構件延性等問題，從宏觀原則上進行評價、鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計算和構造措施，從而消除建筑物抗震的薄弱環節，以達到合理抗震設計的目的。
參考文獻：
【關鍵詞】高層建筑；抗震；結構；設計
前言：隨著建筑行業的發展，出現越來越多的高層建筑，高層建筑結構也越來越復雜，因我國是多地震國家，地震會造成建筑物災害發生，對人們的生命財產造成嚴重的損失，因此，對高層建筑結構進行抗震設計是非常重要的。
1 建筑物抗震結構簡介
結構設計是指建筑設計師經過特定的手段或者方式將建筑師想要表達的語言以建筑的形式表達出來。在這個設計過程當中可能會涉及到建筑設計師沒有的知識，比如：結構師可以將自己所要表達的意思和語言通過設計圖紙結構的形式表達出來。因此，完成一個項目的建筑設計，不僅僅需要建筑師來完成，還需要與建筑相關的其它專業的專業人士來輔助建筑師完成。建筑設計師或者其它相關專業人士通過在建筑設計原有基礎上增加部件或者器械以增加建筑物整體的抗震能力，這就是建筑物抗震結構設計。依靠目前的科技水平，人類還無法預測地震的發生時間和強度，所以亦無法對地震災害做出有效的防范措施。我們只能依靠增加建筑物的抗震能力最大限度的降低地震災害發生時所造成的損失。地震災害對建筑物造成的傷害程度隨著地震的強度、建筑物地基的堅實程度而變化，要做到降低建筑物受到地震后的損壞，只能在建筑過程或者建筑設計階段增加建筑物的抗震能力。而建筑物受到地震傷害的程度也會隨著樓層的增加而增強。建筑物抗震設計最主要的方向就是將建筑物經過改造以后能夠對地震作用于建筑物的力產生與之對抗的力。兩種力相互抵消，才能夠達到這個目標。建筑物在受到地震災害的影響時，需要將建筑物看做是一個整體來分析建筑受到地震以后建筑物對于地震產生力的承受分配。
2 抗震概念設計的基本原則
（1）選擇對抗震有利的場地與地基建筑物的抗震能力與場地條件有密切關系。
（2）規劃合理，防止地震時產生次生災害有時地震導致的次生災害會比地震直接導致的社會損失更大。反之地震時產生嚴重的次生災害，是抗震工作的非常重要的一個方面。
（3）選擇合理的抗震結構方案建筑結構體系需要按照建筑抗震設防烈度、抗震設防類別、場地條件、地基、結構材料與施工、建筑高度、等因素，經經濟、技術與使用條件綜合進行比較后明確。
（4）非結構構件的處理非結構構件包括建筑附屬機電設備與建筑非結構構件和與結構主體的連接等。建筑非結構構件，通常是指在分析結構時不考慮承受重力荷載與地震、風等側立荷載的構件。
3 高層建筑結構抗震設計
3.1 選擇場地
地基選擇場地地基首先要依據實際工程需求，同時還要考慮地震活動情況。分析天然地基時的抗震承載力要按照不同的場地來進行，此外，根據不同場地來分析地震所導致的危害度。如果有必要，可使用規范的地基來進行處理。可根據地震強度、場地土的厚度、斷裂的地質歷史來明確避讓距離，從而對場地范圍內的地震斷裂的確定有利。一定要保證避開對不利的建筑地段來進行場地地基的選擇，如果依法避開，可以運用合適的抗震措施來進行。
3.2 重視建筑結構的規則性
歷史上，因為建筑結構的不規則性對抗震效果產生不好的影響的例子，經常發生。因此，在高層建筑結構抗震設計過程中，需要防止嚴重外形不規則的設計方案一個合理的結構，其平面布置需要符合下列幾點要求：（1）長度要適當，不能太長；（2）平面規則、對稱、不偏心；（3）角部重疊或細腰形的不能采取。其豎向布置需要符合下列幾點要求：（1）體形應規則，防止過分外凸或內凹；（2）高寬比要在5-6以下。對于特別不規則的，不能防止的結構，運用大震作用進行結構易損部位（薄弱層）的塑性變形驗算。
3.3 建筑結構消震和隔震設計
在消能減震與隔震設計方面，可以選擇密實度高的地基，還能運用下列幾點措施。首先，在選擇結構構件材料上，要選擇延性好的，以消耗地震能量，確保在地震作用下建筑物不倒塌；其次還可依據建筑的實際需求，設計適宜的隔震系數，設置某種隔震裝置在基礎和上部結構之間進行設置，致使地震能量降低向上部的輸入，進而使上部結構振動降低，基礎隔震類型主要有摩擦滑移隔震、疊層橡膠支座隔震、支承式擺動隔震、混合隔震、滾動隔震等；除此之外，改變結構體系的動力特性，可對結構自身的某些構件作構造上的處理，或附加子結構系統或消能裝置在結構的一些部位。當前常用的消能減震裝置有摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器、勃彈性阻尼器、勃性液體阻尼器、鉛擠壓阻尼器等。
3.4 選擇合適的結構體系
高層建筑的抗震設計原則是“小震（烈度約為5.45度）不壞、中震（烈度為7度）可修、大震（烈度為8度）不倒”，這就要求建筑結構一定要具備一定的剛度、延性與承載力。在我國，高層建筑的結構體系大對數使用剪力墻結構、框架結構與框架剪力墻結構三種。其中，框架結構適用于普通高度的高層建筑；剪力墻結構適用于高層住宅；框架剪力墻結構則適用于綜合樓與辦公樓。值得一提的是，通常人們都將“剪力墻”稱為“防震墻”，這是因為剪力墻結構的主要承重構件使用的是鋼筋混凝土墻板，而不是框架結構中的梁柱，它對于控制因地震引起的水平剪力具有很好的作用。該體系的剛度與強度都比較高，延性也不錯，傳力直接均勻，對提高建筑的安全性與抗震性都有很大幫助，同時從經常居住的角度來說，也是相當舒適的，在高層住宅中比較適合使用。框架一剪力墻結構對于承受地震引起的水平剪力時，通過具有足夠強度的連梁與樓板組成協同合作的結構體系，可以起到很好的抗震效果。在這里，剪力墻的高寬比要大于2，致使在承受水平剪力時其呈彎剪破壞，同時在墻體的底部盡可能發生塑性屈服；在梁端盡可能發生連梁的塑性屈服，同時具備充足的變形能力，確保在墻段發揮抗震性能前的有效性。
3.5 設置多道抗震防線
由兩個與兩個以上同時延性較好的分體系組成一個好的抗震結構體系，這是由于發生地震時，通常帶有余震，若只有一道防線，很難防止由于某一結構損傷而導致整個結構坍塌。所以，在構建抗震結構體系時，首先要有最大可能數量的內外部冗余度，其次要建立一套分布完整的屈服體系，最后該體系的主要耗能構件一定要有較高的延性與充足的剛度，以確保建筑物在遭遇地震災害時，由于強烈的地震作用第一道防線崩潰的狀況下，抵擋后續地震波的沖擊還需要第二道、第三道防線。
3.6 加強薄弱環節設計
“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”是我們在結構設計過程中始終要遵循的原則之一，這就要求我們要加強對薄弱環節的設計。在設計的過程中要注意以下幾點：
（1）有目的性地控制薄弱部位，確保其在地震作用中，既有足夠的變形能力，又不發生位移；
（2）要對構件的實際承載力進行分析，以此判斷薄弱層的基礎是否滿足抗震要求；
（3）確保薄弱部位的實際承載力與設計彈性受力比保持在一個相對穩定的變化范圍內；
（4）注意協調結構的整體剛度和承載力，避免局部過強。
4 結束語
對于高層建筑來說，抗震設計是非常重要的，一個優良的建筑抗震設計，必須是在建筑設計和結構設計相互配合協作共同考慮抗震的設計基礎上完成。隨著社會經濟的發展，很多新型的結構、新的技術不斷出現，設計人員要不斷利用這些新結構和新技術進行抗震結構設計，從而為人們的生命財產安全做好保障。
參考文獻
關鍵詞:高層建筑;抗震;結構設計;探討
中圖分類號：[TU208.3]文獻標識碼：A文章編號：
1 高層建筑發展概況與存在問題
80年代,是我國高層建筑在設計計算及施工技術各方面迅速發展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑,建筑層數和高度不斷增加,功能和類型越來越復雜,結構體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有上海錦江飯店,它是一座現代化的高級賓館,總高153.52m,全部采用框架一芯墻全鋼結構體系,深圳發展中心大廈43層高165.3m,加上天線的高度共185.3m,這是我國第一幢大型高層鋼結構建筑。進入90年代我國高層建筑結構的設計與施工技術進入了新的階段。不僅結構體系及建筑材料出現多樣化而且在高度上長幅很大有一個飛躍。深圳于1995年6月封頂的地王大廈,81層高,385.95m為鋼結構,它居目前世界建筑的第四位。
我國高層建筑的結構材料一直以鋼筋混凝土為主。隨著設計思想的不斷更新,結構體系日趨多樣化,建筑平面布置與豎向體型也越來越復雜,出現了許多超高超限鋼筋混凝土建筑,這就給高層建筑的結構分析與設計提出了更高的要求。尤其是在抗震設防地區,如何準確地對這些復雜結構體系進行抗震分析以及抗震設計,已成為高層建筑研究領域的主要課題之一。
2 建筑抗震的理論分析
2.1 建筑結構抗震規范
建筑結構抗震規范實際上是各國建筑抗震經驗帶有權威性的總結,是指導建筑抗震設計(包括結構動力計算,結構抗震措施以及地基抗震分析等主要內容)的法定性文件它既反映了各個國家經濟與建設的時代水平,又反映了各個國家的具體抗震實踐經驗。它雖然受抗震有關科學理論的引導,向技術經濟合理性的方向發展,但它更要有堅定的工程實踐基礎,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點冒險和不實。正是基于這種認識,現代規范中的條文有的被列為強制性條文,有的條文中用了“嚴禁,不得,不許,不宜”等體現不同程度限制性和“必須,應該,宜于,可以”等體現不同程度靈活性的用詞。
2.2高層建筑結構抗震結構設計分析
設計階段的結構動力特性分析。高層建筑進入初步設計階段后,首先按方案階段確定的結構布置進行計算分析。計算模型取自±0. 000至塔頂,假定樓板為平面內剛度無限大,其地震反應分析基本參數列于,以及可以看出,隨著樓層高度的增加,結構X方向(縱向)自振周期及地震力基本正常,而結構Y方向(橫向)自振周期偏長、結構剛度偏低,對應于水平地震作用的剪力較小,結構的抗震能力偏弱,結構偏于不安全。為增加Y方向(橫向)的抗側移剛度,提高其抗震能力,在現代高層建筑的設計中,可以在建筑核心筒的兩側增設四道剪力墻。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001),抗震設計時,框架-剪力墻結構中剪力墻的數量必須滿足一定要求,在地震作用時剪力墻作為第一道抗震防線必須承擔大部分的水平力。但這并不意味著框架部分可以設計得很弱,而是框架部分作為第二道防線必須具備一定的抗側力能力,在大震作用下第一道抗震防線剪力墻遭受破壞時,整個結構仍具備一定的抵抗能力,不至于立即破壞倒塌,這就需要在結構計算時,對框架部分所承擔的剪力進行適當調整。
3結構抗震設計方法探討。
3.1結構抗震設計的基本步驟。
對建筑抗震的三個水準設防要求,是通過“兩階段”設計來實現的,其方法步驟如下:第一階段設計:第一步采用與第一水準烈度相應的地震動參數,先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應,與風、重力荷載效應組合,并引入承載力抗震調整系數,進行構件截面設計,從而滿足第一水準的強度要求;第二步是采用同一地震動參數計算出結構的層間位移角,使其不超過抗震規范所規定的限值;同時采用相應的抗震構造措施,保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段設計:采用與第三水準相對應的地震動參數,計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節)的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規范的限值,并采用必要的抗震構造措施,從而滿足第三水準的防倒塌要求。
3.2結構抗震設計方法
3.2.1基礎的抗震設計
基礎是實現高層建筑安全性的重要條件。我國高層建筑通常采用鋼筋混凝土連續地基梁形式,在基礎梁的設計中,為充分發揮鋼筋的抗拉性和混凝土的抗壓性的復合效應,把設計重點放在梁的高度和鋼筋的用量上,在鋼筋的布置上采用主筋、腹筋、肋筋、基礎筋、基礎輔筋5種鋼筋的結合。為防止基礎鋼筋的生銹,一方面采用耐酸化的混凝土,另一方面是增加鋼筋表面的保護層厚度,以抑止鋼筋的腐蝕。高層建筑基礎處理的另一個特色是鋼制基礎結合墊塊的應用,它是高層建筑上部結構柱與基礎相連的重要結構部件。它的功能之一是使具有吸濕性的混凝土基礎和鋼制結構柱及上部建筑相分離,有效防止結構體的銹蝕,確保部件的耐久性。
3.2.2鋼結構骨架的抗震設計
采用鋼框架結合點柱壁局部加厚技術來提高結構抗震性能。一般鋼框架結構,梁和柱結合點通常是柱上加焊鋼制隅撐與梁端用螺栓緊固連接。在這種方式下,鋼柱必須在結合部被切斷,加焊隅撐后再結合,這樣做技術上的不穩定性和材料品質不齊全的可能性很大,而且遇到大地震,鋼柱結合部折斷的危險性很大。鑒于此,可以首先該結構的梁柱采用高密度鋼材,以發揮其高強抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免斷柱形式,對二、三層的獨立住宅而言,結構柱可以一貫到底,從而解決易折問題。與梁結合部柱壁達到兩倍厚,所采用的是高頻加熱引導增厚技術。在制造過程中品質易下降的鋼管經過加熱處理反而使材料本來所具有的拉伸強度得以恢復。對于地震時易產生的應力集中,柱的增厚部位能發揮很大的阻抗能力,從而提高和強化了結構的抗震性。
3.2.3墻體的抗震設計
“三合一”外墻結構體系,首先是由日本專家設計應用的,采用外墻結構柱與兩側外墻板鋼框架組合形成的“三合一”整體承重的結構體系。該體系不僅僅用柱和梁來支撐高層建筑,而是利用墻體鋼框架與結構柱結合,有效地承受來自垂直方向與水平方向的荷載。由于外墻板鋼框架的補強作用,該做法可以較好地發揮結構柱設計值以外的補強承載力。加強了對豎向地震力及雪荷載的抵抗能力,最大限度地發揮其抗震優勢;另一方面,由于外墻板鋼框架與內部斜拉桿所構成“面”承載與結構柱的結合并用,也提高了整體抗側推力和抗變形能力。它的抗水平風載和地震力的能力比單純墻體承重體系提高30%左右。
4增大結構抗震能力的加固與改造技術
建國幾十年來，我國的抗震加固與改造技術得到了飛速發展。1976年唐山地震后，砌體結構抗震加固的問題日益突出，砌體結構抗震性能不好：砌體墻體抗震能力、變形性能的不足、房屋整體性不好。因此，增大墻體抗震性能的外包鋼筋混凝土面層、鋼筋網水泥砂漿面層加固技術及增大結構整體性的壓力灌漿加固技術、增設圈梁(構造柱)加固技術、拉結鋼筋加固技術；通過增設抗震墻來降低抗震能力薄弱構件所承受地震作用的增設墻體技術等應運而生。目前該技術廣泛用于砌筑墻體的加固。
常見的混凝土柱加固技術有加大截面加固技術、外包鋼加固技術、預應力加固技術、改變傳力途徑加固技術、加強整體剛度加固技術、粘鋼加固技術以及碳纖維加固技術等。這些絕大部分都是經過長期實踐檢驗可靠性比較高的技術，已收入國家標準《混凝土結構加固技術》(cecs25—90)。此類技術不僅有比較充分的理論依據，規范還提供了詳細的計算公式。如混凝土柱的外包鋼法加固技術，開始階段的計算方法是分別計算混凝土柱和外包鋼，外包鋼按鋼結構計算：當外包裝的綴板加密并出現濕式的施工方法時，其計算按整體構件考慮；當綴板施加。
5結語
高層建筑已經逐漸成為當前時代建筑發展的主流建筑形態之一,對于高層建筑,其抗震效能的分析一直是國內外建筑抗震設計分析的研究熱點,而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設計階段進行結構抗震設計,只有從高層建筑物內部實施結構抗震,才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。本論文從高層建筑結構設計的角度進行了抗震分析,對于具體的高層建筑抗震設計具有一定指導和借鑒意義。
參考文獻:
[1]李忠獻.高層建筑結構及其設計理論[M].北京:科學出版社,2006.
關鍵詞：高層建筑;結構設計;抗震性能
地震作用影響因素極為復雜,它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用,目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法,要進行精確的抗震計算還有一定的困難,因此高層建筑抗震安全問題必須引起建筑師們的高度重視,及時采取有效措施,防患于未然。
1 我國高層建筑發展概況
隨著社會的進步，在20世紀80年代,是我國高層建筑在設計計算及施工技術各方面迅速發展的階段。從各大中城市普遍興建高層或超高層以鋼筋為主的建筑,建筑層數和高度不斷增加,功能和類型越來越復雜,結構體系日趨多樣化。當進入90年代以來我國高層建筑結構的設計與施工技術進入了新的階段,不僅結構體系及建筑材料出現多樣化,而且在高度上長幅很大有一個飛躍。東方明珠廣播電視塔,坐落在中國上海浦東新區陸家嘴,毗鄰黃浦江,與外灘隔江相望。建筑動工于1991年,于1994年竣工,投資總額達8.3億元。高467.9m,亞洲第一,世界第三高塔。
2 建筑抗震的理論分析
對于建筑結構抗震規范實際上是各國建筑抗震經驗帶有權威性的總結,是指導建筑抗震設計的法定性文件。它不僅反映了各個國家經濟與建設的時代水平,也反映了各個國家的具體抗震實踐經驗。它雖然受抗震有關科學理論的引導,向技術經濟合理性的方向發展,但它更要有堅定的工程實踐基礎,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點冒險和不實。其中動力理論是20世紀70年代～80年代廣為應用的地震動力理論。它的主要發展除了基于60年代以來電子計算機技術和試驗技術外,人們也對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解,同時隨著強震觀測臺站的不斷增多,各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論,它把地震作為一個時間過程,選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入,建筑物簡化為多自由度體系,計算得到每一時刻建筑物的地震反應,從而完成抗震設計工作。
3 高層建筑結構抗震設計的基本內容
3.1 應重視建筑結構的規則性
建筑設計應符合抗震概念設計的要求,不應采用嚴重不規則的設計方案。合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的,提倡平、立面簡單對稱。因為震害表明,對稱建筑在地震時較不容易破壞,容易估計出其地震反應,宜于采取相應的抗震構造進行細部處理。
3.2 抗震概念設計應堅持的措施和原則
結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能 1）結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱（墻）”的原則。2）對可能造成結構的相對薄弱部位,應采取措施提高抗震能力。3）承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。
3.3 抗震措施
在滿足抗震設防要求的高層建筑除應滿足強度、剛度要求外,還要滿足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大,所以對于高層建筑的底層柱,隨著建筑物高度的增加,其所承擔的軸力不斷增加,而抗震設計對結構構件有明確的延性要求,在層高一定的情況下,提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內而不能過大,這樣則必然導致柱截面的增大,從而形成短柱,甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。眾所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱幾乎沒有延性,在建筑遭受本地區設防烈度或高于本地區設防烈度的地震影響時,很容易發生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌。
3.3.1 使用復合螺旋箍筋 高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱,只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發生剪切型破壞的。因此,使用復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力,改善對混凝土的約束作用,能夠達到改善短柱抗震性能的目的。
3.3.2 采用分體柱 由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多,在地震作用下往往是因剪壞而失效,其抗彎強度不能完全發揮。因此,可人為地削弱短柱的抗彎強度,使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度,這樣,在地震作用下,柱子將首先達到抗彎強度,從而呈現出延性的破壞狀態。人為削弱抗彎強度的方法,可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為各柱肢組成的分體柱,分體柱的各柱肢分開配筋在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵,以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素混凝土連接鍵等形式。對分體柱工作性態的理論分析和試驗研究表明:采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態由剪切型轉化為彎曲型,從而實現了短柱變“長柱”的設想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比入蕊的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實際工程中得到應用。
關鍵詞：抗震設計 抗震措施
Abstract: according to the standard aseismatic design design is very important, so to strengthen the structure of the anti-seismic concept design, should according to "strong column weak beams", "strong cut weak curved", "strong weak node component" of the principles of design. This paper the seismic design from three principles theoretical calculation and practical use puts forward new ideas.
Keywords: seismic design aseismatic measures
中圖分類號：TU973+.31 文獻標識碼：A文章編號：
1．抗震概念設計應堅持原則，做到剛柔相濟，多道設防理念
1．1剛柔相濟
在抗震設計中，不能一味地提高結構的抗力，一般是根據初定的尺寸和混凝土等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然后計算配筋。如果結構剛度太大，地震作用效應就很大，這樣為抵御地震而需配更多的鋼筋，因此，增加了結構的剛度，反而使地震作用效應增強。在較大的地震力瞬間襲來時，極易造成局部受損，最后導致各個擊破：而太柔的結構雖然有很好的延性，可以消減外力，但容易造成變形過大而無法使用，甚至整體傾覆。在抗震設計中，為了實現剛柔相濟的原則，既滿足變形要求，又能減小地震力，最主要的方法是進行隔震消能設計。隔震消能設計一般的做法是在基礎和主體之間設置柔性隔震層、加設消能支撐(類似于阻尼器的裝置)等；另外，在抗震設計中“剛柔相濟”可以通過合理控制設計指標來實現，如周期比、位移比、剪重比、剛度比等應滿足建筑抗震設計規范限值要求。
1．2多道設防
強烈地震后往往伴隨多次余震，如果只有一道設防，在首次破壞后再遭余震，結構將會因損傷積累而導致倒塌。因此，一個抗震結構體系，應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，如框架-剪力體系是由延性框架和抗震墻兩個分體系組成；雙肢或多肢剪力墻體系組成。
2．系統的抗震措施包括以下幾個方面內容：
2．1 “強柱弱梁”
人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在地震下，梁端塑性鉸出現較早，在達到最大非線性位移時塑性轉動較大；而柱端塑性鉸出現較晚，在達到最大非線性位移時塑性轉動較小，甚至根本不出現塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩定的塑性耗能機構和較大的塑性耗能能力。
2.1.2框架柱軸壓比控制
抗震受力延性需要：
避免大震作用下框架柱壓屈脆性破壞。現行規范框架柱軸壓比控制計算原則：控制框架柱小震作用組合下軸壓應力設計值水平：
中柱所受軸力較小，邊柱、角柱所受軸力較大，尤其角柱迭加斜向作用、扭轉作用所受軸力最大。框架中、邊、角柱軸壓比控制應有所不同。
建議：
現行規范框架中、邊、角柱軸壓比控制宜參照1984年高層建筑結構學組《高層建筑結構設計建議》，區別對待適當調整。中柱適當放松，邊柱不變，角柱適當從嚴，如表2所示。
2．2 “強剪弱彎”
剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發生剪切破壞，該部位就將徹底退出結構抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導致結構的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節點的組合剪力值，使結構能在大震下的交替非彈性變形中其任何構件都不會先發生剪切破壞。
2.2.1框架柱剪力調整方法
受力需要：框剪結構在小震作用下，彈性計算變形協調所得的框架柱剪力較小：大震作用下，剪力墻、簡體及連梁出現裂縫后，剛度退化，框架柱剪力將大大增加。
抗震需要：提高結構二道防線的抗震能力。現行規范剪力調整計算原則：
框架層總剪力：
中較／j、值第i層框架剪力調系數：
第i層j框架柱剪力、彎矩調整：
相連第i層j框架梁粱端剪力、彎矩調整：
問題：是否需滿足節點力系平衡――調整相連框架梁梁端剪力、彎矩分析：
(1)框架柱偏壓，軸壓比控制，配筋一般由構造控制，柱剪力調整，柱的實際配筋一般未能得到調整增大，實際框架柱承載能力未能得到有效提高。
(2)框架梁純彎，梁端彎矩調整，配筋成比例調整增大，實際框架梁承載能力得到明顯提高。
(3)實際結構承載能力向強粱弱柱方向發展，不利于整體結構強柱弱梁延性抗震。
(4)臺灣、日本、美國震害表明，整澆樓蓋的鋼筋混凝土結構的豎向構件墻、柱破壞嚴重，樓蓋梁板一般尚未出現破壞，因此，強柱弱粱延性抗震更顯重要。
建議：
(1)小震作用下的鋼筋混凝土框剪結構柱剪力調整十分必要。
(2)不必拘泥于地震作用下框架節點力系平衡。
(3)不必調整相連框架梁梁端彎矩、剪力。
2．3 平面要規則．豎向剛度要連續
從受力特性看．高層建筑垂直荷載方向不變．隨建筑物的增高僅引起量的增加：而水平荷載可來自任何方向．當為均布荷載時．彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看，豎向荷載引起的位移很小。而水平荷載當為均布荷載時．側移與高度成四次方變化 由此可以看出，在高層結構中．水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響．水平荷載是結構設計的控制因素，結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外．同時要求結構要有足夠的剛度．使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。高層建筑有上的受力特點．因此．高層建筑采用何種結構形式，應取決于所有結構體系和材料特性．同時取決于場地土的類型．避免場地土和建筑物發生共振，而使震害更加嚴重 因此必須做到平面規則．盡可能采用矩形平面布置、抗側力構件雙向布置。并避免單跨結構。較大平面收進．否則在地震力作用下會引起很大的扭轉效應，導致角部破壞、山墻倒塌。盡可能使結構的豎向剛度連續，高度超過6米，層數超過18層的高層建筑不應采用錯層結構．錯層結構樓板整體性差．不能有效傳遞水平力，易造成短柱；在建筑設計方面應避免采用大家喜歡的圓弧外墻．不論是框架結構還是磚混結構．在這次地震中圓弧外墻都受到了嚴重破壞，我們應該引以為訓。
2.4地基基礎設計控制要素：
(1)控制長期重力荷載作用下地基基礎的變形及其差異變形。
(2)滿足重力荷載水平荷載組合作用下地基基礎承載能力要求。
建議高層建筑地基基礎設計框圖修改如下
效果：
(1)強化中央區，弱化邊緣區。
(2)減小重力荷載作用下地基基礎最大沉降及盆式差異沉降斜率，改善結構工作性能，提高結構安全度。
5 結語
關鍵詞：高層建筑 ， 結構設計 ，抗震設計，短柱，措施
Abstract：The high-rise buildings aseismic design and construction work has been building the key, and summarizes the principle of seismic design of high-rise building, the architecture of the short column seismic necessary theoretical analysis, and the seismic measures must be taken. In order to avoid short column in high-rise building brittle failure occurs in, I think, first of all to correctly determine the short columns, and then the short column to take some structural measures or processing, improve the short column and the ductility of the seismic performance.
Keywords: high building, structure design, seismic design, short columns, measures
中圖分類號：TU318文獻標識碼：A文章編號：
1 高層建筑抗震設計的原則
1.1 結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能①結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱(墻)”的原則。②對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。③承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。
1.2 盡可能設置多道抗震防線①一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協同工作。例如框架—剪力墻結構由延性框架和剪力墻兩個分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。②強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。③適當處理結構構件的強弱關系，同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長階段，保證結構的延性和抗倒塌能力。④在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的其他部位相對薄弱，因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大帶小，改變抗側力構件配筋的做法，都需要慎重考慮。
1.3 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力①構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。②要使樓層(部位)的實際承載能力和設計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的比值有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。③要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協調。④在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。
2 高層建筑抗震中短柱的正確判定
柱凈高H與截面高度h之比H/h≤4為短柱，工程界許多工程技術人員也都據此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ＝M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4來判定的主要依據是：①λ=M/Vh≤2；②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取M＝0.5VH，則λ＝M/Vh＝0.5VH/Vh＝0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現反彎點，此時不宜按H/h≤4來判定短柱，而應按短柱的力學定義——剪跨比λ＝M/Vh≤2來判定才是正確的。
框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即λt＝Mt/Vh≠λb＝Mb/Vh。此時，應采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢？筆者認為，應該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值，即取λ＝max（λt，λb）。一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即Mb＞Mt。
在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截面增大，且軸壓比越小截面越大；而截面增大導致剪跨比減小，又降低了構件的延性，軸壓比與延性比關系圖如圖1所示，因此，在高層特別是超高層建筑結構設計中，為滿足規程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。
圖1 軸壓比與延性比關系圖
3 提高短柱抗震性能的措施
有抗震設防要求的高層建筑除應滿足強度、剛度要求外，還要滿足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大，所以對于高層建筑的底層柱，隨著建筑物高度的增加，其所承擔的軸力不斷增加，而抗震設計對結構構件有明確的延性要求，在層高一定的情況下，提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內而不能過大，這樣則必然導致柱截面的增大，從而形成短柱，甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒有延性，在建筑遭受本地區設防烈度或高于本地區設防烈度的地震影響時，很容易發生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌。
混凝土短柱的延性主要受軸壓比的影響，同時配箍率、箍筋的形式對混凝土短柱的影響也很大。高層混凝土結構短柱，特別是結構低層的混凝土短柱，其軸壓比很大，破壞時呈脆性破壞，其塑性變形能力很小。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，可以從以下幾方面著手，采取措施提高混凝土的抗震性能。
3.1提高短柱的受壓承載力
提高短柱的受壓承載力可減小柱截面、提高剪跨比，從而改善整個結構的抗震性能。減小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強度等級，即采用高強混凝土來增加柱子的受壓承載力，降低其軸壓比；但由于高強混凝土材料本身的延性較差，采用時須慎重或與其他措施配合使用。此外，可以采用鋼骨和鋼管混凝土柱以提高短柱的受壓承載力。
3.2 采用鋼管混凝土柱
鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式，由混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構材料。由于鋼管內的混凝土受到鋼管的側向約束，使得混凝土處于三向受壓狀態，從而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高，混凝土特別是高強混凝土的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋， 其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下，相當于配筋率2至少都在4.6%。
當選用了高強混凝土和合適的套箍指標后，柱子的承載力可大幅度提高，通常柱截面可比普通鋼筋混凝土柱減小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。
3.3 采用分體柱
由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現出延性的破壞狀態。分體柱方法已在實際工程中得到應用。人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為2或4個柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。
關鍵詞: 高層建筑； 框架結構；剪力墻結構；抗震設計
中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A
1. 正確選擇合理的結構體系
由于高層建筑中抗水平力成為設計的主要矛盾，因此采用何種抗側力結構是結構設計的關鍵性問題。根據抗側力結構的不同，鋼筋混凝土結構主要可分為框架結構、框架—剪力墻結構、剪力墻結構和筒體結構等結構體系，由于這些體系的受力特點、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) 框架結構。由梁、柱構件通過節點連接構成，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空間。當建筑物層數較少時，水平荷載對結構的影響較小，采用框架結構體系比較合理，當層數較多時，由于框架結構在水平力的作用下，內力分布很不均勻，并存在著層間屈服強度特別弱的樓層，且由于框架結構的構件截面慣性矩相對較小，導致側向剛度較小，側向變形較大，在強烈地震作用下，結構的薄弱層率先屈服，發生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現象，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生破壞，除剪跨比較小的短柱易發生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此框架結構屬于以剪切變形為主的柔性結構，使用高度受到限制，主要用于非抗震設計和層數相對較少的建筑中。
(2) 剪力墻結構。剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋混凝土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構。該種結構的抗側力剛度比框架結構大的多，在水平力作用下側向變形小，空間整體性好。剪力墻結構的工作狀態可分為單肢墻、小開口墻、聯肢墻，單肢墻和小開口墻的截面內力完全或接近于按材料力學公式成直線分布規律，其平衡地震力矩只靠截面內力偶負擔。聯肢墻則通過連系梁使許多墻肢共同工作，地震力矩可由多個墻肢的截面內力矩與連梁對墻肢的約束力矩共同負擔，設計原則是梁先屈服，然后墻肢彎曲破壞喪失承載內力。當連梁鋼筋屈服并且有延性時，既可吸收大量地震能量，又能繼續傳遞彎矩和剪力，對墻肢有一定的約束作用。由于剪力墻結構自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內部大空間的要求。因此其更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數量，也可使室內無外露梁柱，達到整體美觀。
(3) 框架－剪力墻結構。是指在框架結構中的適當部位增設一些剪力墻，是剛柔相結合的結構體系，能提供建筑大開間的使用空間，是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結構體系中，框架和剪力墻共同承擔水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須通過各層樓板使其變形一致，達到框架和剪力墻的協同工作。從受力特點看，剪力墻是以彎曲變形為主，框架是以剪切變形為主，由于變位協調，在頂部框架協助剪力墻抗震，在底部剪力墻協助框架抗震，其抗震性能由于較好的的發揮了各自的優點而大為提高。因此可以適用于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。
以上分析了三種常用的鋼筋混凝土結構體系的特點，通過分析比較看出，選擇高層建筑結構抗側力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和用途。
2.正確認識高層建筑的受力特點，選擇合理的結構類型
高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構，垂直荷載主要使結構產生軸向力與建筑物高度大體為線性關系；水平荷載使結構產生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加; 而水平荷載可來自任何方向，當為均布荷載時，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看，豎向荷載引起的側移很小，而水平荷載當為均布荷載時，側移與高度成四次方變化。由此可
以看出，在高層結構中，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，水平荷載是結構設計的控制因素，結構除抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外，同時要求結構要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。
高層建筑有上述的受力特點，因此設計中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實可行的結構類型，使之在特定的物資和技術條件下，具有良好的結構性能、經濟效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結構類型主要有鋼結構和鋼筋混凝土結構。鋼結構具有整體自重輕、強度高、抗震性能好、施工工期短等優點，并且鋼結構構件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結構。其缺點是造價相對較高，當場地土特征周期較長時，易發生共振。與鋼結構相比，現澆鋼筋混凝土結構具有結構剛度大，空間整體性好，造價低及材料來源豐富等優點，可以組成多種結構體系，以適應各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時，易發生共振。因此，高層建筑采用何種結構形式，應取決于所有結構體系和材料特性，同時取決于場地土的類型，避免場地土和建筑物發生共振，而使震害更加嚴重。
3.選擇合理的結構布置，協調好建筑與結構的關系
(1) 應滿足建筑功能要求，做到經濟合理、便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數等平面關系和體型除滿足使用要求外，還應盡量減少類型，盡可能統一柱網布置和層高，重復使用標準層。
(2) 高層建筑控制位移是主要矛盾，除應從平面體型和立面變化等方面考慮提高結構的總體剛度以減少結構的位移。在結構布置時，應加強結構的整體性及剛度，加強構件的連接，使結構各部分以最有效的方式共同作用；加強基礎的整體性，以減少由于基礎平移或扭轉對結構的側移影響，同時應注意加強結構的薄弱部位和應力復雜部位的強度。此外增強結構整體寬度也可減少側向位移，在其
它條件不變時，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑是不合適的，宜采用剛度較大的平面形狀，如方型、接近方型的矩型、圓型、Y 型和井型等塔式建筑，即把使用要求及建筑體型多樣化和結構的要求有機地結合起來，又可形成側向穩定的體系。
(3) 在地震區為了減少地震作用對建筑結構的整體和局部的不利影響，如扭轉和應力集中效應，建筑平面形狀宜規正，避免過大的外伸或內收，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分部要均勻，主要抗側力豎向構件，其截面尺寸、混凝土強度等級和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內，應糾正“增加構件強度總是有利無害”的非抗震設計概念，在設計和施工中不宜盲目改變混凝土強度等級和鋼筋等級以及配筋量。簡單地說就是使結構各部分剛度對稱均勻，各結構單元的平面形狀應力求簡單規則，立面體型應避免伸出和收進，避免結構垂直方向剛度突變等。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠，振動不同步，應使荷載合力作用線通過結構剛度中心，以減少扭轉的影響。尤其是布置樓電梯間時不宜設在平面凹角部位或端部角區，他對結構剛度的對稱性有顯著的影響。
(4) 提高結構的抗震性能。由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，使建筑物達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。為了達到這一要求，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量，減弱地震破壞的影響。
框架結構設計應使節點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁、柱端的塑性鉸出現得盡可能分散，充分發揮整體結構的抗震能力。為了保證鋼筋混凝土結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”的原則進行設計，合理地選擇柱的截面尺寸，控制柱的軸壓比，并注意構造配筋要求，特別是要加強節點的構造措施。
對于框架—剪力墻結構和剪力墻結構中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁”的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。
4.結束語
高層建筑已經逐漸成為當前時代建筑發展的主流建筑形態之一，對于高層建筑，其抗震效能的分析一直是國內外建筑抗震設計分析的研究熱點，而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設計階段進行結構抗震設計，只有從高層建筑物內部實施結構抗震，才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。通過對高層建筑的受力特性、結構類型、結構體系、結構布置、抗震性能等多方面的概念設計，從而
更加有效地構造出新的措施與計劃，完善建筑結構設計。
參考文獻:
［1］現行建筑施工規范大全［M］． 北京: 中國建筑工業出版社，2009．
關鍵詞：高層建筑；抗震；結構設計；理論；內容；方法
地震是人們在現實生活中遇到的一種可怕的自然災害，其巨大的破壞力給社會經濟發展、人類生存安全和社會穩定帶來了嚴重的危害。地震占自然災害總數的52％，是“群害之首”。研究表明，在地震中造成人員傷亡和經濟損失最主要的因素就是房屋倒塌及其引發的次生災害(約占95％)。無數次的震害告訴我們，抗震設計是防御和減輕地震災害最有效、最根本的措施。因此高層建筑抗震安全問題必須引起建筑師們的高度重視，及時采取有效措施，防患于未然，已經十分重要。
一、建筑抗震的理論分析
（一）建筑結構抗震規范
建筑結構抗震規范實際上就是各國建筑抗震的經驗權威性的總結，是指導建筑抗震設計（包括結構動力計算，結構抗震措施以及地基抗震分析等主要內容)的法定性文件。它既反映了各個國家經濟的建筑水平，又反映了各國的具體抗震實踐經驗。它是在抗震有關科學理論的引導下，向技術經濟合理性的方向發展，它也立足于堅定的工程實踐基礎，把建筑工程的安全性放在首位，容不得半點冒險和不實。正是基于這種認識精神，現代規范中的條文有的被列為強制性條文，有的條文中用了“嚴禁，不得”等體現強制限制性詞語和“必須，可以”等體現不同程度靈活性的用詞。
（二）建筑抗震的理論分析
建筑抗震的理論中的動力理論是20世紀70年代到80年代廣泛應用的地震動力理論。它的發展除了基于60年代以來電子計算機技術和試驗技術外，人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解，同時隨著強震觀測臺站的不斷增多，各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論，它把地震作為一個時間過程，選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入，建筑物簡化為多自由度體系，計算得到每一時刻建筑物的地震反應，從而完成抗震設計工作。
二、建筑抗震設計的基本內容
（一）應重視建筑結構的規則性
建筑物的體型應力求簡單、規則、對稱質量和剛度變化均勻。從而，確保減少地震時地震作用產生的變形、應力集中及扭轉反應。這些在實際工程中常常是不能完全達到要求的，這就要求結構工程師在進行抗震結構計算時，運用抗震區結構概念設計的方法，估計應力集中的部位，分析扭轉影響，采取有效構造措施，提高結構的抗震能力。
（二）抗震概念設計應堅持的原則
a、剛柔相濟原則
在抗震設計中，不能一味地提高結構的抗力，一般是根據初定的尺寸和混凝土等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然后計算配筋。如果結構剛度太大，地震作用效應就很大，這樣為抵御地震而需配更多的鋼筋，因此，增加了結構的剛度，反而使地震作用效應增強。在較大的地震力瞬間襲來時，極易造成局部受損，最后導致整體破壞；而太柔的結構雖然有很好的延性，可以消減外力，但容易造成變形過大而無法使用，甚至整體傾覆。在抗震設計中，為了實現剛柔相濟的原則，既滿足變形要求，又能減小地震力，最主要的方法是采用隔震消能設計。
b、多道設防原則
強烈地震后往往伴隨多次余震，如果只有一道設防，在首次破壞后再遭余震，結構將會因損傷積累而導致倒塌。因此，一個抗震結構體系，應由若干個延生較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，如框架一剪力體系是由延性框架和抗震墻兩個分體系組成。
（三）抗側力結構和構件應設計成延性結構或構件
延性是指構件或結構具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。在“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計原則下，結構應設計成延性結構。當設計成延性結構時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結構變形加大，但結構承受的地震作用不會直線上升，也就是說，結構是用它的變形能力在抵抗地震作用。延性結構的構件設計應遵守“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱桿件，強底層柱”原則，承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。
（四）應有意識地加強薄弱環節
a、結構在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力分析(而不是承載力設計值的分析)是判斷薄弱層的基礎。
b、要使樓層(部位)的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的這個比例有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。
c、要防止在局部上加強而忽視整個結構各部位剛度、承載力的協調。
d、在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的主要手段。
三、高層建筑結構抗震設計的基本方法
（一）進行合理的基礎設計
同一結構單元不宜設置在性質不同的地基土上，不宜采用不同的基礎形式。地基有軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴重不均勻土層時，宜采取措施加強基礎的整體性和剛性，對于部分地區的灌淤土和濕陷性黃土更應采用合理的基礎形式和有效的地基加固措施，使其具有良好的承載能力和穩定性。對于底層框架結構這種結構形式，由于其良好的實用性，目前使用還比較廣泛，但這種結構上部剛度比較大，而下部剛度又比較小，上下性質截然不同，變形能力相差懸殊， 所以在抗震區這種結構形式應盡量少采用。或采用時應加強底層樓板的水平剛度或者采取其它有效措施以盡量協調上下不同性質結構的變形能力。
（二）減少地震能量輸入
積極采用基于位移的結構抗震設計，要求進行定量分析，使結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求。除了驗算構件的承載力外，要控制結構在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比；根據構件變形與結構位移關系，確定構件的變形值；并根據截面達到的應變大小及應變分布，確定構件的構造要求。對于高層建筑，選擇堅硬的場地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。另外，錯開地震動卓越周期，可防止共振破壞。
（三）高層建筑結構應具有預定必要的剛度
結構的剛度太大或太小，在結構計算結果中表現出周期的偏小或偏大，相應的主體結構的位移也偏小或偏大。此時可采用調整與結構剛度有關的參數，如構件的截面尺寸、混凝土的強度等級、剪力墻結構開洞大小等情況；或調整計算參數的設置，如調整梁的剛度放大系數，來滿足規范合理的范圍。正常使用條件下，限制建筑結構層間位移的主要目的為：
第一，保證主要結構基本處于彈性受力狀態，對鋼筋混凝土結構要避免混凝土墻或柱出現裂縫；將混凝土梁等樓面構件的裂縫數量、寬度限制在規范允許范圍之內。
第二，保證填充墻、隔墻和幕墻等非結構構件的完好，避免產生明顯損壞。
因此，《高規》第463條規定了按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比的限值，建筑結構抗震設計計算必須按《高規》的有關規定。
（四）推廣使用隔震和消能減震設計
目前我國和世界各國普遍采用的是傳統抗震結構體系即“延性結構體系”，也就是適當控制結構物的剛度，但容許結構構件(如梁、柱、墻、節點等)在地震時進入非彈性狀態，并且具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應，使結構物“裂而不倒”。這種體系，在很多情況下是有效的，但也存在很多局限性。隨著社會的不斷發展，對各種建筑物和構筑物的抗震減震要求越來越高，使“延性結構體系”的應用日益受到限制，傳統的抗震結構體系和理論越來越難以滿足要求，而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統抗震體系所難以比擬的優越性，在未來的建筑結構中將得到越來越廣泛的應用。
（五）謹慎選用結構材料
在高層建筑的方案設計階段，結構材料選用也很重要。可以對材料參數隨機性的抗震模糊可靠度進行分析，改變了過去對結構抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性，而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數的變異性，地震烈度的隨機性及烈度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。從抗震角度來說，結構體系的抗震等級，其實質就是在宏觀上控制不同結構的廷性要求。這要求我們應根據建設工程的各方面條件，選用符合抗震要求又經濟實用的結構類別。
（六）高層建筑結構應設置多道抗震防線
這樣設置的作用就在于，當第一道防線的構件在強烈地震作用下遭到破壞后，后備的第二道乃至第三道防線能抵擋后續地震的沖擊，使建筑物免于倒塌。
首先，一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協同工作。例如框架一剪力墻結構由延性框架和剪力墻兩個分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。
其次，強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應具備最大量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。
再次，適當處理結構構件的強弱關系，同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長階段，保證結構的延性和抗倒塌能力。
最后，在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的其他部位相對薄弱，因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大帶小，改變抗側力構件配筋的做法，都需要慎重考慮。
參考文獻：
[1]徐宜，丁勇春．高層建筑結構抗震分析和設計的探討[J]．江蘇建筑，2009.
