高层建筑抗震的设计方法探讨

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【摘要】由于地震灾害带来的危害十分严重，而我国许多地方又属于地震活跃地带，为了提高房屋的抗震性，需要采用科学的设计方法以提高房屋的抗震性能，由此促进我国抗震设计水平的进步与发展。本文首先分析了抗震设计的重要性，其次阐述了基于性能的抗震设计方法，最后结合实例阐述了基于性能的抗震设计方法在高层建筑设计中的应用。

【关键词】高层建筑；结构设计；性能；抗震设计

1引言

对于地震的研究，我国起步较早，东汉时期伟大的天文学家张衡发明了地动仪。我国传统的隔震减震方法是采用抗震结构体系，通过加强结构的抗剪切承载能力，以提高建筑物的结构强度来抵抗地震对建筑物的影响，避免建筑物在地震中坍塌。如今，随着科技迅猛发展，基于性能的建筑结构抗震技术取得了长足进步，其相对于传统的抗震减震技术，有着许多突出的优势，能够更好的提高建筑物的抗震减震能力。

2抗震技术在房屋建筑结构设计中的应用的必要性

我国是世界上地震频发的国家，每年，地震造成的损失数以亿计，地震的存在严重威胁到人们的生命安全和财产安全，其不可准确预测性和巨大破坏性给我国的许多建筑物和构筑物造成了巨大的威胁。国家抗震规范中明确规定：“小震不坏，中震可修，大震不倒”，对于小型地震，要求是在地震中建筑物和构筑物不发生破坏，不影响主体结构的受力性能[1]；对于中型地震，要求是建筑物和构筑物在地震后能够通过修理可继续使用；对于大型地震，要求是建筑物和构筑物在地震中不倒塌。房屋结构作为住宅建设中最关键的部分，合理的设计可以保证房屋的安全系数，从而提高整个工程的质量。建筑物在设计时，除遵循“经济、实用、安全”的总原则外，具体还要以抗震设计原则为依据，结合地震本身的特点，明确清晰的设计思路，以应对自然灾害，确保结构安全。

3基于性能的抗震设计方法概述

在基于性能的抗震设计理论的发展过程中，目前世界范围内土木工程界形成了并经过论证认可的抗震设计方法主要包括：综合设计方法、基于性能可靠度的分析方法、基于位移的设计方法、延性系数设计法。①综合设计法。该方法的核心思想就是根据已有的自然环境条件以及地震动参数，选择出结构抗震性能目标。对性能目标进行反复的论证，最终确定出结构构件的截面尺寸大小，从而指导结构抗震设计。②基于性能可靠度的分析方法。该分析方法的核心思想就是将承载能力极限状态和正常使用极限状态对应上基于位移抗震设计的具体位移数值，从而使两个极限状态理论在基于位移抗震设计上得到定量化。③基于位移的抗震设计方法。该方法的核心思想就是将结构抗震采用的结构整体位移及层间位移角目标进行量化，由整体位移和层间位移角控制结构构件的截面和配筋。④延性系数设计法。该方法是在基于承载力（强度）设计的基础上，对建筑结构在罕遇地震时产生的非线性变形，结构构件产生的延性反应进行研究。建筑结构在罕遇地震作用下产生的延性反应，有利于减小、吸收、耗散地震作用，进而减少对房屋结构的损害，有效防止建筑物在罕遇地震下作用下倒塌[2]。

4实例分析基于性能的高层建筑抗震设计方法应用

某综合性办公大楼，建筑总面积约为4.2万m2，建筑主体为40m×32m的矩形平面，结构形式为混凝土框架－剪力墙体系。主楼层数为20层，其中地下3层为停车库，地上17层为办公区，裙房为4层。建筑物抗震设防烈度为7度（0.10g），设防类别为丙类，地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.40s。4.1结构基本信息及模型建立该建筑地面以上为17层的主楼，主要用途为办公场所，主屋面的高度为63.6m。东西两侧各设置有4层裙房，裙房顶标高16.3m。该建筑地面以下的高度为13.2m，主要作为地下停车库，其中人防区域设置在地下三层，从地下三层往上的层高分别为4.5+4.5+4.2m。主楼一层层高4.5m，二层层高4m，3~6层的层高为3.9m，7～16层层高3.5m，17层层高是4.5m。主楼在1～2层中间16m×16m的范围内设置了挑空的中庭，中间不容许设置结构柱，需要在二层顶设置转换桁架。工程基本雪压值：0.0kN/m2（n=50），基本风压值时0.70kN/m2（n=50，粗糙类别为B类），该建筑的剪力墙、框架的抗震等级均为二级。用PMSAP软件建立计算模型，对结构进行设计分析，然后选择不同的地震波对建筑结构进行性能化分析，最终用sap2000对结构的计算结果进行复核。结果表明两种软件的计算结果比较接近，差异在工程许可的范围内，同时按照最不利设计的原则对结构进行配筋。4.2结构计算分析主楼二层楼板局部开大洞，为不连续楼板，需加强洞口周边钢筋混凝土梁的配筋，同时提高周围楼板的厚度和配筋。楼板开大洞造成出现跃层柱，需提高跃层柱的配筋。转换柱由于对承载力要求高，应选择使用型钢混凝土柱，型钢截面为HM400×200×8×13。底部加强区的剪力墙厚度取值较大一些，且最小配筋率取为0.35～0.4%，可以保证地面以上首层和第二层不出现薄弱层。通过弹性时程分析法（选取三组地震波），对结构中的薄弱环节进行补充计算，同时调整框架结构的配筋，让建筑框架承担部分地震剪力，可使结构形成两道有效的承载力防线，4.3主要抗震计算结果高层建筑抗震设计是一项复杂而又系统的过程，必须进行如下几点工作：①根据结构各个部分的受力分布情况和最大位移分布特点，分析结构受力的不利情况并予以加强；②确保建筑的剪重比和刚重比等指标符合抗震规范的要求；③调整软弱地基地震剪力系数，确保建筑结构的刚度。从PMSAP的计算结果看，小震作用下建筑物最大的层间位移限值为1/948，罕遇地震作用下建筑的层间位移限值为1/125，均满足国家规范的相关要求。在中震作用下，框架梁和连梁出现受弯承载力不足的问题，受剪承载力仍可以满足要求，但比较接近限值[3]。而框架柱（包括转换柱）和剪力墙均处于弹性状态。从SAP2000的计算结果看，小震作用下建筑物最大的层间位移限值为1/1023，罕遇地震作用下建筑的层间位移限值为1/134，比PMSAP的计算结果更小，同样可以满足国家规范的相关要求。而且两者的计算结果都反应出转换柱和转换桁架都是比较薄弱的构件，需要特别加强。

5结束语

高层建筑高度更高、结构更复杂、人员活动更多，地震作用对建筑的危害也就更大，所以对高层建筑的设计要求更高。高层建筑在注重抗震概念设计的时候，也需要结合具体的施工环境、地理环境，确保高层建筑的设计达到安全性、适用性、经济性和美观性的完美结合，这也正是设计师们在努力创新时源源不断的动力。

参考文献

[1]徐其功，蔡辉，李争鹏.基于性能的高层建筑钢结构抗震设计研究[J].钢结构，2015，30（7）：70~75.

[2]赵彤.高层建筑结构基于性能抗震设计思想的应用[J].结构工程师，2011，27（2）：15~22.

[3]李赫男.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].黑龙江科技信息，2013，38（24）：188.

作者:王暄 单位:长沙市规划设计院有限责任公司