论文部分内容阅读
摘要：，随着高层建筑的迅速发展，建筑高度不断增加，高层建筑的结构设计也成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。其抗震设计变得尤为重要，建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的概念，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿了整个过程。本文就对建筑结构抗震设计中应注重的几大问题进行详细地分析和探讨，并对如何提高建筑结构抗震能力提出了自己的几点看法，力图为结构设计人员合理进行建筑结构抗震设计提供参考。
关键词：高层建筑；结构抗震；优化设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1 高层建筑抗震设计的必要性
九十年代以来，结构工程师在总结前人经验，逐渐认识到宏观的“概念设计”比以往的“数值设计”对工程结构抗震来說，更为重要，因此，人们对于概念设计愈来愈重视。抗震概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等问题，从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。概念设计要求工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。
2 我国高层建筑抗震设计中的一些问题
2.1高度问题
按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下是较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大，同时巨大的倾覆力矩在柱中和基础中所引起的压力和拉力均较难处理。
2.2材料的选用和结构体系问题
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-筒、筒中筒和框架-支撑体系)，都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振需要采用混凝土材料，钢骨(钢管)混凝土，通常作为首选。
2.3 抗震设防标准较低
现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”，并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内(50a)超越概率为10%的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，抗震性能化设计日渐成为重要的设计手段。
3 我国高层建筑结构抗震的具体设计
3.1 高层建筑结构抗震设计应重视建筑结构的规则性
在高层建筑中，结构的布置原则主要体现在以下几个方面：
(1)高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要比较接近、变形特性要比较相近。这是因为实际的高层建筑结构都是三维的，实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性，高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就能具有比较良好的抗震、抗风性。
(2)高层建筑竖向体型及刚度变化要均匀，宜优先采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免过大的外挑和内收。因为立面形状的突然变化，必然带来质量和抗推刚度的剧烈变化，地震时该突变部位就会因剧烈振动或塑性变形集中效应而加重破坏。
(3)高层建筑主体抗侧力结构的平面布置应尽量对称，以避免扭转。为了把扭转效应降低到最低程度，应尽可能减小结构质量中心与刚度中心的距离。抗侧刚度较大的长墙、芯筒位置要居中和对称布置，同时也应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。
3.2抗震结构体系的优化配置
高层建筑结构体系选择与优化是结构设计考虑的关键问题，制定合理的结构方案对整个建筑的安全性和经济性起决定作用。
3.2.1 结构体系应具有合理的地震作用传递途径
①楼屋盖梁系的布置应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去。②竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择。③)转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层1次至多2次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去。④整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。抗侧力结构一般由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。
3.2.2 结构体系宜有多道抗震防线
第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑，或轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件。框架-剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件，又是第一道抗震防线，框架部分起到第二道防线的作用。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁 (包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。连梁的刚度、承载力和变形能力应与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化，一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁。“强柱弱梁”型的延性框架中梁处于第一道防线，而在超静定结构构件中赘余构件就起到第一道防线的作用。
3.2.3 结构体系宜具有合理的刚度
主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。首先，主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作。但是高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理，这是因为主体抗侧力结构刚度过大，结构的基本自振周期较短，地震作用也会相应加大，结构承受的水平力、倾覆弯矩加大，地基基础的负担加大，此时结构的截面和相应的构造配筋增加较大，并不经济。
3.2.4 结构体系应具有足够的冗余度
建筑的倒塌往往都是结构构件破坏后致使结构体系变为机动体系的结果，因此，结构的冗余度（即超静定次数）越多，进入倒塌的过程就越长。
从能量耗散角度看，在一定地震强度和场地条件下，输入结构的地震能量大体上是一定的。在地震作用下，结构上每出现一个塑性铰，即可吸收和耗散一定数量的地震能量。在整个结构变成机动体系之前，能够出现的塑性铰越多，耗散的地震输入能量就越多，就更能经受住较强地震而不倒塌。从这个意义上来说，结构冗余度越多，抗震安全度就越高。
从结构传力路径上看，超静定结构要明显优于静定结构。对于静定的结构体系，其传递水平地震作用的路徑是单一的，一旦其中的某一根杆件或局部节点发生破坏，整个结构就会因为传力路线的中断而失效。而超静定结构的情况就好得多，结构在超负荷状态工作时，破坏首先发生在赘余杆件上，地震作用还可以通过其他途径传至基础，其后果仅仅是降低了结构的超静定次数，但换来的却是一定数量地震能量的耗散，而整个结构体系仍然是稳定的、完整的，并且具有一定的抗震能力。
3.2.5 结构体系应具有良好的屈服机制
一个良好的结构屈服机制，其特征是结构在其杆件出现塑性铰后，竖向承载能力基本保持稳定，同时，可以持续变形而不倒塌，进而最大限度地吸收和耗散地震能量。这就要求结构的塑性发展从次要构件开始，或从主要构件的次要杆件 （部位）开始，最后才在主要构件上出现塑性铰，从而形成多道防线；
一般而言，结构的屈服机制可分为两个基本类型，即楼层屈服机制和总体屈服机制。所谓楼层屈服机制，指的是结构在侧向荷载作用下，竖向杆件先于水平杆件屈服，导致某一楼层或某几个楼层发生侧向整体屈服。可能发生此种屈服机制的结构有弱柱框架结构，强连梁剪力墙结构等。所谓总体屈服机制，指的是结构在侧向荷载作用下，全部水平杆件先于竖向杆件屈服，然后才是竖向杆件的屈服。可能发生此种屈服机制的结构有强柱框架结构，弱连梁剪力墙结构等。
结构发生总体屈服时，其塑性铰的数量远比楼层屈服要多，发生总体屈服的结构，侧向变形的竖向分布比较均匀，而发生楼层屈服的结构，不仅侧向变形分布不均匀，而且薄弱楼层出存在严重的塑性变形集中。因此，从建筑抗震设计的角度，我们要有意识地配置结构构件的刚度与强度，确保结构实现总体屈服机制。
4 抗震结构典型事例
图1为众所周知的马那瓜中央银行大厦（图中圈内所示）与美洲银行大厦，两栋建筑毗邻，而其抗震结构体系的配置迥然不同。
马那瓜中央银行大厦平面布置不规则：4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙；竖向布置不规则：塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根柱子上，上下两部分严重不均匀，不连续。
其在地震作用后遭受严重破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变)，周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈，塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。
而马那瓜美洲银行大厦结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应。当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移得到控制，也避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏。
这次地震的震害经验表明：在同一次地震中，体型复杂的房屋比体型规则的房屋容易破坏，甚至倒塌，
5结语
建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标，因此如何准确运用不同的抗震设计方法，合理的选择与优化结构体系非常重要。工程界许多院士、设计大师特别强调：“建筑应按抗震规范概念设计的要求，采用体系合理、具有多道抗震防线、楼屋盖整体性强的结构”。
参考文献：
[1]赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2000.
[2]郭继武.建筑抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[3]徐正忠.建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[4]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，2008(3).
关键词：高层建筑；结构抗震；优化设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1 高层建筑抗震设计的必要性
九十年代以来，结构工程师在总结前人经验，逐渐认识到宏观的“概念设计”比以往的“数值设计”对工程结构抗震来說，更为重要，因此，人们对于概念设计愈来愈重视。抗震概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等问题，从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。概念设计要求工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。
2 我国高层建筑抗震设计中的一些问题
2.1高度问题
按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下是较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大，同时巨大的倾覆力矩在柱中和基础中所引起的压力和拉力均较难处理。
2.2材料的选用和结构体系问题
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-筒、筒中筒和框架-支撑体系)，都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振需要采用混凝土材料，钢骨(钢管)混凝土，通常作为首选。
2.3 抗震设防标准较低
现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”，并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内(50a)超越概率为10%的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，抗震性能化设计日渐成为重要的设计手段。
3 我国高层建筑结构抗震的具体设计
3.1 高层建筑结构抗震设计应重视建筑结构的规则性
在高层建筑中，结构的布置原则主要体现在以下几个方面：
(1)高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要比较接近、变形特性要比较相近。这是因为实际的高层建筑结构都是三维的，实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性，高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就能具有比较良好的抗震、抗风性。
(2)高层建筑竖向体型及刚度变化要均匀，宜优先采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免过大的外挑和内收。因为立面形状的突然变化，必然带来质量和抗推刚度的剧烈变化，地震时该突变部位就会因剧烈振动或塑性变形集中效应而加重破坏。
(3)高层建筑主体抗侧力结构的平面布置应尽量对称，以避免扭转。为了把扭转效应降低到最低程度，应尽可能减小结构质量中心与刚度中心的距离。抗侧刚度较大的长墙、芯筒位置要居中和对称布置，同时也应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。
3.2抗震结构体系的优化配置
高层建筑结构体系选择与优化是结构设计考虑的关键问题，制定合理的结构方案对整个建筑的安全性和经济性起决定作用。
3.2.1 结构体系应具有合理的地震作用传递途径
①楼屋盖梁系的布置应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去。②竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择。③)转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层1次至多2次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去。④整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。抗侧力结构一般由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。
3.2.2 结构体系宜有多道抗震防线
第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑，或轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件。框架-剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件，又是第一道抗震防线，框架部分起到第二道防线的作用。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁 (包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。连梁的刚度、承载力和变形能力应与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化，一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁。“强柱弱梁”型的延性框架中梁处于第一道防线，而在超静定结构构件中赘余构件就起到第一道防线的作用。
3.2.3 结构体系宜具有合理的刚度
主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。首先，主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作。但是高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理，这是因为主体抗侧力结构刚度过大，结构的基本自振周期较短，地震作用也会相应加大，结构承受的水平力、倾覆弯矩加大，地基基础的负担加大，此时结构的截面和相应的构造配筋增加较大，并不经济。
3.2.4 结构体系应具有足够的冗余度
建筑的倒塌往往都是结构构件破坏后致使结构体系变为机动体系的结果，因此，结构的冗余度（即超静定次数）越多，进入倒塌的过程就越长。
从能量耗散角度看，在一定地震强度和场地条件下，输入结构的地震能量大体上是一定的。在地震作用下，结构上每出现一个塑性铰，即可吸收和耗散一定数量的地震能量。在整个结构变成机动体系之前，能够出现的塑性铰越多，耗散的地震输入能量就越多，就更能经受住较强地震而不倒塌。从这个意义上来说，结构冗余度越多，抗震安全度就越高。
从结构传力路径上看，超静定结构要明显优于静定结构。对于静定的结构体系，其传递水平地震作用的路徑是单一的，一旦其中的某一根杆件或局部节点发生破坏，整个结构就会因为传力路线的中断而失效。而超静定结构的情况就好得多，结构在超负荷状态工作时，破坏首先发生在赘余杆件上，地震作用还可以通过其他途径传至基础，其后果仅仅是降低了结构的超静定次数，但换来的却是一定数量地震能量的耗散，而整个结构体系仍然是稳定的、完整的，并且具有一定的抗震能力。
3.2.5 结构体系应具有良好的屈服机制
一个良好的结构屈服机制，其特征是结构在其杆件出现塑性铰后，竖向承载能力基本保持稳定，同时，可以持续变形而不倒塌，进而最大限度地吸收和耗散地震能量。这就要求结构的塑性发展从次要构件开始，或从主要构件的次要杆件 （部位）开始，最后才在主要构件上出现塑性铰，从而形成多道防线；
一般而言，结构的屈服机制可分为两个基本类型，即楼层屈服机制和总体屈服机制。所谓楼层屈服机制，指的是结构在侧向荷载作用下，竖向杆件先于水平杆件屈服，导致某一楼层或某几个楼层发生侧向整体屈服。可能发生此种屈服机制的结构有弱柱框架结构，强连梁剪力墙结构等。所谓总体屈服机制，指的是结构在侧向荷载作用下，全部水平杆件先于竖向杆件屈服，然后才是竖向杆件的屈服。可能发生此种屈服机制的结构有强柱框架结构，弱连梁剪力墙结构等。
结构发生总体屈服时，其塑性铰的数量远比楼层屈服要多，发生总体屈服的结构，侧向变形的竖向分布比较均匀，而发生楼层屈服的结构，不仅侧向变形分布不均匀，而且薄弱楼层出存在严重的塑性变形集中。因此，从建筑抗震设计的角度，我们要有意识地配置结构构件的刚度与强度，确保结构实现总体屈服机制。
4 抗震结构典型事例
图1为众所周知的马那瓜中央银行大厦（图中圈内所示）与美洲银行大厦，两栋建筑毗邻，而其抗震结构体系的配置迥然不同。
马那瓜中央银行大厦平面布置不规则：4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙；竖向布置不规则：塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根柱子上，上下两部分严重不均匀，不连续。
其在地震作用后遭受严重破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变)，周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈，塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。
而马那瓜美洲银行大厦结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应。当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移得到控制，也避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏。
这次地震的震害经验表明：在同一次地震中，体型复杂的房屋比体型规则的房屋容易破坏，甚至倒塌，
5结语
建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标，因此如何准确运用不同的抗震设计方法，合理的选择与优化结构体系非常重要。工程界许多院士、设计大师特别强调：“建筑应按抗震规范概念设计的要求，采用体系合理、具有多道抗震防线、楼屋盖整体性强的结构”。
参考文献：
[1]赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2000.
[2]郭继武.建筑抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[3]徐正忠.建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[4]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，2008(3).