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[摘 要]本篇文章通过对现目前的各个高层建筑结构的抗震设计之中具体应该注意的一些问题，并且结合作者在实际的工作实践中对相关的权威资料进行分析，对高层建筑抗震的设计提出了解决的对策和看法。
[关键词]高层建筑 抗震设计 抗震设防烈度 弹塑性动力分析 弹塑性静力分析
中图分类号：TU50 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）22-0096-01
1 前言
从1885年世界简历第一幢高层建筑——美国芝加哥家庭保险公司大楼建立以来，至今已有超过100年的历史，这些高层建筑不仅仅是在材料和结构体系上越发的多样化，在建设高度上也不断增长。尤其是进入90年代后，结构的抗震分析和设计已经被各个国家的建筑企业提到了设计日程之上。对于我国来说，一些位于地震的多发地区，其高层建筑的抗震防御更是建筑工程师们所迫切需要解决的问题。作为高层建筑抗震能力的依据，抗震分析处于一个非常重要的地位。
2 高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容
在罕见的地震作用之下，建筑的抗震结构大都会进入一种塑性状态，为了建筑能够满足更大地震作用下的结构要求，必须要对建筑的结构塑性变形能力进行深入的研究。我国目前的外抗震设计主要的发展趋势是根据不同结构在不同的地震概率水平作用下的性能或者变形的要求来进行设计的，结构弹塑性的分析已经成为抗震设计的一个必须的重要组成部分。我国现目前所施行的抗震规范中要求高层的建筑所计算的范围多在多遇地区作用下，按照反应的谱理论来计算地震对建筑所产生的影响，用弹性方法计算建筑的内力及位移，通过对建筑极限状态的计算方法来进行构件。对于一些重要建筑或者特殊要求的建筑，要用时程分析法来作为补充计算，并对大震作用下的建筑进行试验验算。这种先用多遇地震作用进行建筑结构的设计，再核对大震作用下的结构弹塑性变形的算法，这就是所谓的两个阶段设计法，但是规范规定要求必须进行验算的结构比较少。现目前，进一步提高明确建筑弹塑性计算的要求，并作出相关的规定，使得弹塑性计算成为一种必须的建造环节，对于我国的高层建筑的抗震设计水平有着更好的积极效应。结构弹塑性分析可以分为弹塑性动力分析以及弹塑性静力分这两个大类。
弹塑性的动力分析，采用了杆模型与层模型等简化的结构计算模型，可以将地震波直接记录到结构中，考虑到建筑结构的弹塑性结构性能，依据建筑结构弹塑性的恢复特性来建立动力方程式进行计算，用逐步积分的方法直接求出建筑在地震过程中位移、速度和加速过程中的时程具体变化，使得能够够好的描述结构在强震的作用下，在弹性和非弹性阶段建筑的内力变化，以及建筑结构在过程中逐步屈服、开裂、损坏直至建筑完全坍塌的全过程。杆模型的计算优点在于可以得到杆件状态随着时间不断变化的过程，也可以得到整个建筑各个楼层的详细反映。但是这种方法所耗时间较多，试验成本大，数据也非常的繁多分析困难，即使在国外也很少使用。层模型计算能得到各楼层的反应，例如层剪力、楼层侧移和层间转角、层间位移延性比等，它主要是从宏观上即层间变形检验结构在大震作用下的安全性。层模型计算的数据相对较少，适宜于进行宏观检验，也便于计算多条地震波作用。
无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时程分析，都要求设计人员具有较高水平的专业知识，且计算结果受地震波的影响较大，不存在唯一答案，有时难以判断。最近一些国家的学者相继提出弹塑性静力分析方法（Push-o ver Analysis）进行结构抗震分析。这种方法并非创新，但有较多优点。弹塑性静力分析采用空间协同平面结构模型或三维空间模型；每个构件（梁、柱、墙） 都根据其截面尺寸、配筋及材料确定其弹塑性力—变形关系；在结构上施加某种分布的楼层水平荷载，逐级增大；随着荷载逐步增大，某些杆端屈服，出现塑性铰， 直至塑性铰足够多或层间位移角足够大，计算结束。由弹塑性静力分析，可以了解结构中每个构件的内力和承载力的关系以及各杆件承载力间的相互关系，检查是否符合强柱弱梁（或强剪弱弯），并可发现设计的薄弱部位，还可得到不同受力阶段的侧移变形，给出底部剪力—顶点侧移关系曲线以及层剪力—层间变形关系曲线等等。后者即可作为各楼层的层剪力—层间位移骨架线，它是进行层模型弹性时程分析所必须的参数。只要结构一定（尺寸、配筋、材料），其结果不受地震波的影响，而与初始楼层水平荷载的分布有关。
3 我国高层建筑抗震设计中的一些问题
围绕高层建筑抗震分析和设计的主要内容，由于结构弹塑性分析的复杂性，在如何进行计算和设定具体要求的问题上，各国做法也有所不同。
我国现行抗震设计规范（GBJ11- 89） 基于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则，提出了所谓的二阶段设计。但是随着我国高层建筑的发展， 我国高层建筑出现了许多问题需要研究解决。
3.1 选用的材料和结构体系
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框一筒、筒中筒和框架一支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外， 特别在地震区， 是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架—核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面， 故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值； 此外， 在结构体系或柱距变化时， 需要设置结构转换层。
4.材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析
这种方法从建筑结构的整体性能作为出发点改变了以往对结构抗震可靠度的研究，并且仅仅考虑了荷载的不确定性从而忽略了建筑设计过程的其他诸多不确定因素，综合考虑了建筑材料的数据变化性，地震强度的随机性以及地震强度等级界限的随机性与模糊性对于建筑结构抗震是否可靠有着巨大的影响。这种方法的研究成果适用于对现有的结构进行抗震的可靠度测定，还可以用于指导可靠度理论的结构抗震设计方案。
结语
建筑的经济和安全之间的关系，是建筑结构抗震设计的一个重要技术政策。如何兼顾这二者，是在未来建筑设计中每一个设计研究人员都需要面临和解决的核心问題。从建筑发展的长远观点来看，如果将我国高层建筑的抗震设计现状以及国际的建筑抗震设计的发展趋势作为起点，从中探求一些使用并具有可行性的二步或者三步设防的更合理的抗震分析设计方法，这应该成为未来地震区的高层建筑发展的集中攻克课题。
[关键词]高层建筑 抗震设计 抗震设防烈度 弹塑性动力分析 弹塑性静力分析
中图分类号：TU50 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）22-0096-01
1 前言
从1885年世界简历第一幢高层建筑——美国芝加哥家庭保险公司大楼建立以来，至今已有超过100年的历史，这些高层建筑不仅仅是在材料和结构体系上越发的多样化，在建设高度上也不断增长。尤其是进入90年代后，结构的抗震分析和设计已经被各个国家的建筑企业提到了设计日程之上。对于我国来说，一些位于地震的多发地区，其高层建筑的抗震防御更是建筑工程师们所迫切需要解决的问题。作为高层建筑抗震能力的依据，抗震分析处于一个非常重要的地位。
2 高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容
在罕见的地震作用之下，建筑的抗震结构大都会进入一种塑性状态，为了建筑能够满足更大地震作用下的结构要求，必须要对建筑的结构塑性变形能力进行深入的研究。我国目前的外抗震设计主要的发展趋势是根据不同结构在不同的地震概率水平作用下的性能或者变形的要求来进行设计的，结构弹塑性的分析已经成为抗震设计的一个必须的重要组成部分。我国现目前所施行的抗震规范中要求高层的建筑所计算的范围多在多遇地区作用下，按照反应的谱理论来计算地震对建筑所产生的影响，用弹性方法计算建筑的内力及位移，通过对建筑极限状态的计算方法来进行构件。对于一些重要建筑或者特殊要求的建筑，要用时程分析法来作为补充计算，并对大震作用下的建筑进行试验验算。这种先用多遇地震作用进行建筑结构的设计，再核对大震作用下的结构弹塑性变形的算法，这就是所谓的两个阶段设计法，但是规范规定要求必须进行验算的结构比较少。现目前，进一步提高明确建筑弹塑性计算的要求，并作出相关的规定，使得弹塑性计算成为一种必须的建造环节，对于我国的高层建筑的抗震设计水平有着更好的积极效应。结构弹塑性分析可以分为弹塑性动力分析以及弹塑性静力分这两个大类。
弹塑性的动力分析，采用了杆模型与层模型等简化的结构计算模型，可以将地震波直接记录到结构中，考虑到建筑结构的弹塑性结构性能，依据建筑结构弹塑性的恢复特性来建立动力方程式进行计算，用逐步积分的方法直接求出建筑在地震过程中位移、速度和加速过程中的时程具体变化，使得能够够好的描述结构在强震的作用下，在弹性和非弹性阶段建筑的内力变化，以及建筑结构在过程中逐步屈服、开裂、损坏直至建筑完全坍塌的全过程。杆模型的计算优点在于可以得到杆件状态随着时间不断变化的过程，也可以得到整个建筑各个楼层的详细反映。但是这种方法所耗时间较多，试验成本大，数据也非常的繁多分析困难，即使在国外也很少使用。层模型计算能得到各楼层的反应，例如层剪力、楼层侧移和层间转角、层间位移延性比等，它主要是从宏观上即层间变形检验结构在大震作用下的安全性。层模型计算的数据相对较少，适宜于进行宏观检验，也便于计算多条地震波作用。
无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时程分析，都要求设计人员具有较高水平的专业知识，且计算结果受地震波的影响较大，不存在唯一答案，有时难以判断。最近一些国家的学者相继提出弹塑性静力分析方法（Push-o ver Analysis）进行结构抗震分析。这种方法并非创新，但有较多优点。弹塑性静力分析采用空间协同平面结构模型或三维空间模型；每个构件（梁、柱、墙） 都根据其截面尺寸、配筋及材料确定其弹塑性力—变形关系；在结构上施加某种分布的楼层水平荷载，逐级增大；随着荷载逐步增大，某些杆端屈服，出现塑性铰， 直至塑性铰足够多或层间位移角足够大，计算结束。由弹塑性静力分析，可以了解结构中每个构件的内力和承载力的关系以及各杆件承载力间的相互关系，检查是否符合强柱弱梁（或强剪弱弯），并可发现设计的薄弱部位，还可得到不同受力阶段的侧移变形，给出底部剪力—顶点侧移关系曲线以及层剪力—层间变形关系曲线等等。后者即可作为各楼层的层剪力—层间位移骨架线，它是进行层模型弹性时程分析所必须的参数。只要结构一定（尺寸、配筋、材料），其结果不受地震波的影响，而与初始楼层水平荷载的分布有关。
3 我国高层建筑抗震设计中的一些问题
围绕高层建筑抗震分析和设计的主要内容，由于结构弹塑性分析的复杂性，在如何进行计算和设定具体要求的问题上，各国做法也有所不同。
我国现行抗震设计规范（GBJ11- 89） 基于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则，提出了所谓的二阶段设计。但是随着我国高层建筑的发展， 我国高层建筑出现了许多问题需要研究解决。
3.1 选用的材料和结构体系
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框一筒、筒中筒和框架一支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外， 特别在地震区， 是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架—核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面， 故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值； 此外， 在结构体系或柱距变化时， 需要设置结构转换层。
4.材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析
这种方法从建筑结构的整体性能作为出发点改变了以往对结构抗震可靠度的研究，并且仅仅考虑了荷载的不确定性从而忽略了建筑设计过程的其他诸多不确定因素，综合考虑了建筑材料的数据变化性，地震强度的随机性以及地震强度等级界限的随机性与模糊性对于建筑结构抗震是否可靠有着巨大的影响。这种方法的研究成果适用于对现有的结构进行抗震的可靠度测定，还可以用于指导可靠度理论的结构抗震设计方案。
结语
建筑的经济和安全之间的关系，是建筑结构抗震设计的一个重要技术政策。如何兼顾这二者，是在未来建筑设计中每一个设计研究人员都需要面临和解决的核心问題。从建筑发展的长远观点来看，如果将我国高层建筑的抗震设计现状以及国际的建筑抗震设计的发展趋势作为起点，从中探求一些使用并具有可行性的二步或者三步设防的更合理的抗震分析设计方法，这应该成为未来地震区的高层建筑发展的集中攻克课题。