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【摘要】：随着城市建设的快速发展，高层建筑不断出现，由于近年地震频发，建筑物的抗震设计越来越受到重视。文章介绍了高层建筑抗震设计特点，分析了结构抗震概念设计以及高层建筑抗震计算方法探讨，提出了高层建筑抗震设计要点。最后对结构隔震与减震设计进行浅析。
【关键词】：高层建筑；结构抗震设计
【 abstract 】 : along with the rapid development of city construction, high-rise buildings appear constantly, by the recent earthquake frequency, the seismic design of buildings more and more attention to. This paper introduces the high-rise buildings aseismic design characteristics, analyzed the structural anti-seismic concept design and high building earthquake-resistant calculation method, this paper puts forward the seismic design key points of the high-rise building. The structure isolation and the guide-subject earthquake-reduction design.
【 key words 】 : high building; Structure seismic design
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
引言
我国是一个地震多发的国家。随着汶川地震的发生，抗震设计分析显得更为重要。因此，高层建筑的抗震设计必须从客观、科学的角度全面考虑，这就要求设计人员必须认真的学习新规范，有效地把握住工程结构设计的要点，让结构更安全，更合理。
1. 高层建筑抗震设计特点
1.1控制建筑物的侧移是重要的指标。高层建筑结构的侧移是结构设计中的关键决定因素。在地震作用下,建筑结构所产生的水平剪切力,使建筑物产生明显的侧移,随着建筑结构高度的不断增加,结构的侧向位移快速增大,结构的变形也随之增大，侧向位移过大将使结构产生附加内力，附加偏心力超过一定限值时，将会引取整个结构的倒塌，因此必须将侧移限制在一定的范围之内,也就是结构构件应具有必要的强度、刚度、稳定性，这样才能保证结构安全以及使用功能。
1.2地震作用中产生的水平力是关键因素。水平力会使建筑物产生倾覆力矩,并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力。如果把建筑物看作一简单的竖向悬臂构件，构件中由竖向荷载产生的轴力与高度成正比；水平力作用产生的弯矩与高度的平方成正比；水平作用力产生的侧向位移与高度四次方成正比；对高度一定的建筑物而言,竖向荷载基本上是不变的,而水平方向上地震作用的数值大小往往会随着高层建筑结构动力特性不同而存在较大幅度的变化。
1.3要重视建筑结构的延性设计。高层建筑结构随着高度增加,显得更柔,在地震作用下变形较大。这就要求结构要有足够的变形能力,设计应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强底层柱（墙）”的设计原则，尽可能设置多道抗震防线，主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度，使结构能吸收和消耗大量的地震能量，适当处理构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，应避免部份构件超强设计，造成结构的其他部位相对博弱。要有目的、有意识的控制博弱部位，使之有足构的变形能力又不使薄弱层发生转移。在结构构造上采取有利的加强措施,使得建筑结构具有足够的延性。
2. 结构抗震概念设计
目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法，要进行精确的抗震计算还有一定的困难，因此人们在工程实践中提出了“建筑抗震概念设计”。抗震概念设计就是以工程概念为依据，从有利于提高结构抗震力的概念上，用符合工程客观规律和本质的方法对所设计的对象进行宏观的控制。结构的抗震设计应该是综合概念设计、计算和结构措施等完整的一系列设计。概念设计强调在工程设计应把握好场地选择、能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。抗震概念设计的基本要点有：
2.1选择有利于抗震的场地和地基
高层建筑设计中要选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震不利的地段。當无法避开时，应当采取适当的抗震措施，不应在危险地段上建造高层建筑。此外，设计前应估算建筑结构的自振周期，并与场地卓越周期错开，防止地震时结构发生共振现象的破坏。
2.2选择良好的抗震结构体系
高层建筑结构在抗震设计时，应选择合理的结构类型，设计的结构既要考虑其抗震安全性，也要尽可能的经济。结构应布置多道抗震防线，避免部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力。此外，结构应拥有良好的整体性和变形能力，使结构的强度、刚度和变形能力三者达到协调。
3. 高层建筑抗震计算方法
当地震发生时，地面上原来静止的结构物因地面运动而发生强迫振动。因此，结构地震反应是一种动力反应，其大小不但与地面运动有关，还与结构的动力特性有关，一般需要采用结构动力学方法分析才能得到。目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
3.1时程分析法
时程分析法14J是随着电子计算机技术和试验技术的发发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高分为振型分解法和逐步积分法两种，而逐步积分法是又线形加速度法、纽马克∥法等多种求解方式。
3.2底部剪力法
底部剪力法是一种拟静力法，把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此计算精度稍差。
3.3振型分解反应谱法
振塑分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定
4. 高层建筑抗震设计要点
4.1结构规则性
建筑物尤其是高层建筑物设计应符合抗震概念设计要求，对建筑进行合理的布置，大量地震灾害表明，平立面简单且对称的结构类型建筑物在地震时具有较好的抗震性能，因为该种结构建筑容易估计出其地震反映，易于采取相应的抗震构造措施并且进行细部处理。建筑结构的规则性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗侧力构件布置、承载力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面对称均匀，体型简单，结构刚度，质量沿建筑物竖向变化均匀，同时应保证建筑物有足够的抗扭转刚度以减小结构的扭转影响，并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。
4.2层间位移限制
高层建筑都具有较大的高宽比，其在风力或地震作用下往往能够产生较大的层间位移，甚至会超过结构的位移限值。而国内普遍认为该位移限值大小与结构材料、结构体系甚至装修标准以及侧向荷载等诸多因素有关。因此在进行高层建筑结构设计时应根据建筑物的实际情况以及所处的地理位置进行设计，既要满足其具有足够的刚度又要避免结构在水平荷载的作用下产生过大的位移而影響结构的承载力，稳定性以及正常使用功能等。
4.3控制地震扭转效应
大量事实表明，当建筑结构的平面布置等不规则、不对称导致建筑层间水平荷载合力中心与建筑结构刚度中心不重合，在地震发生时建筑结构除发生水平位移外还易发生扭转性破坏甚至会导致结构整体倒塌，因此在结构设计中应充分重视扭转的影响。由于建筑物在扭转作用下各片抗侧力结构的层间变形不同，其中距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大；同时在上下刚度不均匀变化的结构中，各层的刚度中心未能在同一轴线上，甚至会产生较大差距，以上情况都会使各层结构的偏心距和扭矩发生改变，因此，在设计过程中应对各层的扭转修正系数分别计算。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标，即当两个控制参数的计算结果不能满足要求时则必须对其进行调整。
当周期比不满足要求时可采用加大抗侧力构件截面或增加抗侧力构件数量的方法，并应将抗侧力构件尽可能的均匀布置在建筑四周，以减小刚度中心与质量中心的相对偏心，若调整构件刚度不能满足效果时则应调整抗侧力构件布置，以增大结构抗扭刚度。具体做法为当结构刚度富余量较小可采取均衡加强结构外围刚度，富余量较大则可采取在加强外围刚度的同时均衡的消弱结构内部中心抗侧力构件刚度的方法进行处理。当结构位移比不满足要求时则一般采取增加最大位移处构件刚度减小最小处位移构件刚度、在最大位移处局部加剪力墙、增加框架部分侧向刚度和设置防震缝将不规则平面重新划分为相对规则平面的方法进行处理。
4.4减小地震能量输入
具有良好抗震性能的高层建筑结构要求结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求，因此在设计过程中除了控制构件的承载力外还应控制结构在地震作用下的层间位移极限值或位移延性比，然后根据构件变形与结构位移的关系来确定构件的变形值，同时根据截面达到的应变大小及分布来确定构件的构造要求，选择坚硬的场地土来建造高层建筑等方法来减小地震能量的输入。
4.5减轻结构自重
对于同样的地基条件下进行建筑结构设计若减轻结构自重则可相应增加层数或减少地基处理造价，尤其是在软土基础上进行结构设计这一作用更为明显，同时由于地震效应与建筑质量成正比，而高层建筑由于其高度大重心高等特点，在地震作用时其倾覆力矩也随之增加，因此，为了尽量减小其倾覆力矩应对高层建筑物的填充墙及隔墙尽量采用轻质材料以减轻结构自重。
5. 结构隔震与消震设计
为了提高结构的整体抗震性能，隔震和消能减震等抗震技术应用于设计使用功能有特殊要求的建筑，耗能元件及其体系可错开地震动卓越周期，从而防止共振破坏，减轻地震振动效应以及风振。隔震即隔离地震，即在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层，使房屋与基础隔离开来，隔离地面运动能量向建筑物的传递，以减小房屋结构的地震反应，实现地震时建筑物只发生较轻微运动和变形，从而保证建筑物的安全。消能减震则是通过在建筑物中设置消能部件，使地震输入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗，一部分由结构的动能和变形能承担，以此达到减少结构地震反应的目的。
随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使“延性结构体系”的应用日益局限，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求。而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。阻尼器在隔震与消震设计技术中应用而生，阻尼器的性态通过在最大地震和最大风荷载下的试验得到了验证。同时提高结构阻尼，采用高延性构件，更能有效的够提高结构的耗能能力，减轻地震作用。
6. 结束语
地震作用影响因素极为复杂，它是一种随机、尚不能准确预见、计算的外部作用。因此，我们设计人员在结构设计，特别是高层结构设计应正确的应用规范，把握好抗震概念设计，吸取新的理论知识，努力做到地震作用时结构“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
参考文献：
【1】胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,2005.
【2】GB50011-2010,建筑抗震设计规范【S】.
【3】徐宜和,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨【J】.江苏建筑,2004【3】.
【4】吕西林．高层建筑结构【M】．武汉：武汉理工大学出版社，2003．
【5】丰定国．工程结构抗震【M】．武汉：武汉工业大学出版社，2002．
【关键词】：高层建筑；结构抗震设计
【 abstract 】 : along with the rapid development of city construction, high-rise buildings appear constantly, by the recent earthquake frequency, the seismic design of buildings more and more attention to. This paper introduces the high-rise buildings aseismic design characteristics, analyzed the structural anti-seismic concept design and high building earthquake-resistant calculation method, this paper puts forward the seismic design key points of the high-rise building. The structure isolation and the guide-subject earthquake-reduction design.
【 key words 】 : high building; Structure seismic design
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
引言
我国是一个地震多发的国家。随着汶川地震的发生，抗震设计分析显得更为重要。因此，高层建筑的抗震设计必须从客观、科学的角度全面考虑，这就要求设计人员必须认真的学习新规范，有效地把握住工程结构设计的要点，让结构更安全，更合理。
1. 高层建筑抗震设计特点
1.1控制建筑物的侧移是重要的指标。高层建筑结构的侧移是结构设计中的关键决定因素。在地震作用下,建筑结构所产生的水平剪切力,使建筑物产生明显的侧移,随着建筑结构高度的不断增加,结构的侧向位移快速增大,结构的变形也随之增大，侧向位移过大将使结构产生附加内力，附加偏心力超过一定限值时，将会引取整个结构的倒塌，因此必须将侧移限制在一定的范围之内,也就是结构构件应具有必要的强度、刚度、稳定性，这样才能保证结构安全以及使用功能。
1.2地震作用中产生的水平力是关键因素。水平力会使建筑物产生倾覆力矩,并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力。如果把建筑物看作一简单的竖向悬臂构件，构件中由竖向荷载产生的轴力与高度成正比；水平力作用产生的弯矩与高度的平方成正比；水平作用力产生的侧向位移与高度四次方成正比；对高度一定的建筑物而言,竖向荷载基本上是不变的,而水平方向上地震作用的数值大小往往会随着高层建筑结构动力特性不同而存在较大幅度的变化。
1.3要重视建筑结构的延性设计。高层建筑结构随着高度增加,显得更柔,在地震作用下变形较大。这就要求结构要有足够的变形能力,设计应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强底层柱（墙）”的设计原则，尽可能设置多道抗震防线，主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度，使结构能吸收和消耗大量的地震能量，适当处理构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，应避免部份构件超强设计，造成结构的其他部位相对博弱。要有目的、有意识的控制博弱部位，使之有足构的变形能力又不使薄弱层发生转移。在结构构造上采取有利的加强措施,使得建筑结构具有足够的延性。
2. 结构抗震概念设计
目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法，要进行精确的抗震计算还有一定的困难，因此人们在工程实践中提出了“建筑抗震概念设计”。抗震概念设计就是以工程概念为依据，从有利于提高结构抗震力的概念上，用符合工程客观规律和本质的方法对所设计的对象进行宏观的控制。结构的抗震设计应该是综合概念设计、计算和结构措施等完整的一系列设计。概念设计强调在工程设计应把握好场地选择、能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。抗震概念设计的基本要点有：
2.1选择有利于抗震的场地和地基
高层建筑设计中要选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震不利的地段。當无法避开时，应当采取适当的抗震措施，不应在危险地段上建造高层建筑。此外，设计前应估算建筑结构的自振周期，并与场地卓越周期错开，防止地震时结构发生共振现象的破坏。
2.2选择良好的抗震结构体系
高层建筑结构在抗震设计时，应选择合理的结构类型，设计的结构既要考虑其抗震安全性，也要尽可能的经济。结构应布置多道抗震防线，避免部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力。此外，结构应拥有良好的整体性和变形能力，使结构的强度、刚度和变形能力三者达到协调。
3. 高层建筑抗震计算方法
当地震发生时，地面上原来静止的结构物因地面运动而发生强迫振动。因此，结构地震反应是一种动力反应，其大小不但与地面运动有关，还与结构的动力特性有关，一般需要采用结构动力学方法分析才能得到。目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
3.1时程分析法
时程分析法14J是随着电子计算机技术和试验技术的发发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高分为振型分解法和逐步积分法两种，而逐步积分法是又线形加速度法、纽马克∥法等多种求解方式。
3.2底部剪力法
底部剪力法是一种拟静力法，把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此计算精度稍差。
3.3振型分解反应谱法
振塑分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定
4. 高层建筑抗震设计要点
4.1结构规则性
建筑物尤其是高层建筑物设计应符合抗震概念设计要求，对建筑进行合理的布置，大量地震灾害表明，平立面简单且对称的结构类型建筑物在地震时具有较好的抗震性能，因为该种结构建筑容易估计出其地震反映，易于采取相应的抗震构造措施并且进行细部处理。建筑结构的规则性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗侧力构件布置、承载力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面对称均匀，体型简单，结构刚度，质量沿建筑物竖向变化均匀，同时应保证建筑物有足够的抗扭转刚度以减小结构的扭转影响，并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。
4.2层间位移限制
高层建筑都具有较大的高宽比，其在风力或地震作用下往往能够产生较大的层间位移，甚至会超过结构的位移限值。而国内普遍认为该位移限值大小与结构材料、结构体系甚至装修标准以及侧向荷载等诸多因素有关。因此在进行高层建筑结构设计时应根据建筑物的实际情况以及所处的地理位置进行设计，既要满足其具有足够的刚度又要避免结构在水平荷载的作用下产生过大的位移而影響结构的承载力，稳定性以及正常使用功能等。
4.3控制地震扭转效应
大量事实表明，当建筑结构的平面布置等不规则、不对称导致建筑层间水平荷载合力中心与建筑结构刚度中心不重合，在地震发生时建筑结构除发生水平位移外还易发生扭转性破坏甚至会导致结构整体倒塌，因此在结构设计中应充分重视扭转的影响。由于建筑物在扭转作用下各片抗侧力结构的层间变形不同，其中距刚心较远的结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大；同时在上下刚度不均匀变化的结构中，各层的刚度中心未能在同一轴线上，甚至会产生较大差距，以上情况都会使各层结构的偏心距和扭矩发生改变，因此，在设计过程中应对各层的扭转修正系数分别计算。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标，即当两个控制参数的计算结果不能满足要求时则必须对其进行调整。
当周期比不满足要求时可采用加大抗侧力构件截面或增加抗侧力构件数量的方法，并应将抗侧力构件尽可能的均匀布置在建筑四周，以减小刚度中心与质量中心的相对偏心，若调整构件刚度不能满足效果时则应调整抗侧力构件布置，以增大结构抗扭刚度。具体做法为当结构刚度富余量较小可采取均衡加强结构外围刚度，富余量较大则可采取在加强外围刚度的同时均衡的消弱结构内部中心抗侧力构件刚度的方法进行处理。当结构位移比不满足要求时则一般采取增加最大位移处构件刚度减小最小处位移构件刚度、在最大位移处局部加剪力墙、增加框架部分侧向刚度和设置防震缝将不规则平面重新划分为相对规则平面的方法进行处理。
4.4减小地震能量输入
具有良好抗震性能的高层建筑结构要求结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求，因此在设计过程中除了控制构件的承载力外还应控制结构在地震作用下的层间位移极限值或位移延性比，然后根据构件变形与结构位移的关系来确定构件的变形值，同时根据截面达到的应变大小及分布来确定构件的构造要求，选择坚硬的场地土来建造高层建筑等方法来减小地震能量的输入。
4.5减轻结构自重
对于同样的地基条件下进行建筑结构设计若减轻结构自重则可相应增加层数或减少地基处理造价，尤其是在软土基础上进行结构设计这一作用更为明显，同时由于地震效应与建筑质量成正比，而高层建筑由于其高度大重心高等特点，在地震作用时其倾覆力矩也随之增加，因此，为了尽量减小其倾覆力矩应对高层建筑物的填充墙及隔墙尽量采用轻质材料以减轻结构自重。
5. 结构隔震与消震设计
为了提高结构的整体抗震性能，隔震和消能减震等抗震技术应用于设计使用功能有特殊要求的建筑，耗能元件及其体系可错开地震动卓越周期，从而防止共振破坏，减轻地震振动效应以及风振。隔震即隔离地震，即在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层，使房屋与基础隔离开来，隔离地面运动能量向建筑物的传递，以减小房屋结构的地震反应，实现地震时建筑物只发生较轻微运动和变形，从而保证建筑物的安全。消能减震则是通过在建筑物中设置消能部件，使地震输入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗，一部分由结构的动能和变形能承担，以此达到减少结构地震反应的目的。
随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使“延性结构体系”的应用日益局限，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求。而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。阻尼器在隔震与消震设计技术中应用而生，阻尼器的性态通过在最大地震和最大风荷载下的试验得到了验证。同时提高结构阻尼，采用高延性构件，更能有效的够提高结构的耗能能力，减轻地震作用。
6. 结束语
地震作用影响因素极为复杂，它是一种随机、尚不能准确预见、计算的外部作用。因此，我们设计人员在结构设计，特别是高层结构设计应正确的应用规范，把握好抗震概念设计，吸取新的理论知识，努力做到地震作用时结构“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
参考文献：
【1】胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,2005.
【2】GB50011-2010,建筑抗震设计规范【S】.
【3】徐宜和,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨【J】.江苏建筑,2004【3】.
【4】吕西林．高层建筑结构【M】．武汉：武汉理工大学出版社，2003．
【5】丰定国．工程结构抗震【M】．武汉：武汉工业大学出版社，2002．