高层建筑结构抗震设计方案

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：我国建造高层建筑的大城市几乎都在抗震设防范围内，因此，高层建筑结构的抗震设计成为高层建筑设计中的重要组成内容。在新《抗震规范》和新《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010都提出了“结构抗震性能设计”要求，将三水准抗震设防目标更加具体化，对超高层建筑抗震要求更加严格。对建筑结构造成破坏的，主要是水平振动和扭转振动。特别是当地震波的卓越周期与建筑物自振周期相近时，会引起类共振，结构的地震反应加剧。

我国处于欧亚板块和太平洋板块边缘，见图1-15，因此是个多地震国家，我国《建筑抗震设计规范》GB50011—2010（以下简称《抗震规范》）规定，在国家地震局（1990）颁布的《中国地震烈度区划图》上规定的基本烈度为6度及6度以上地区内的建筑结构，应当抗震设防。我国设防烈度为6度和6度以上地区约占全国总面积的60%。我国建造高层建筑的大城市几乎都在抗震设防范围内，因此，高层建筑结构的抗震设计成为高层建筑设计中的重要组成内容。

图1-15 我国周边的地震带

我国《抗震规范》又按建筑物重要性及地震危害的严重性将房屋分为甲、乙、丙、丁四个设防类别，高层建筑没有丁类。甲类建筑是重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，设计时地震作用应高于本地区设防烈度；乙类建筑是地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，按本地区设防烈度进行设计；除甲、乙类以外的建筑属于丙类。

我国的房屋建筑采用三水准抗震设防目标，即：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在小震作用下，房屋应该不需修理仍可继续使用；在中震作用下，允许结构局部进入屈服阶段，经过一般修理仍可继续使用；在大震作用下，构件可能严重屈服，结构破坏，但房屋不应倒塌、不应出现危及生命财产的严重破坏。也就是说，抗震设计要同时达到多层次要求。在新《抗震规范》和新《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010（以下简称《混凝土高规》）都提出了“结构抗震性能设计”要求，将三水准抗震设防目标更加具体化，对超高层建筑抗震要求更加严格。

小、中、大震是指概率统计意义上的地震烈度大小：

小震是指该地区50年内超越概率约为63%的地震烈度，重现期为50年，即众值烈度，又称为多遇地震；

中震指该地区50年内超越概率约为10%的地震烈度，重现期为475年，又称为基本烈度、设防烈度或设防地震；

大震是指该地区50年内超越概率约为2%～3%的地震烈度，重现期为1600～2400年，又称为罕遇地震。

抗震与抗风设计有不同的特点，风是经常作用在结构上的外部荷载，发生的机会多，且作用的时间长，有时达数小时，一般要求在风作用下结构处于弹性阶段，不允许出现大的变形，装修材料、结构和非结构构件都不能出现裂缝，人不应有不舒适感。而地震作用是地面运动通过基础对上部结构产生影响，地面竖向振动使结构产生竖向振动，影响相对较小；地面水平振动使结构产生移动和摇摆，扭转振动使结构扭转。对建筑结构造成破坏的，主要是水平振动和扭转振动。后者对房屋破坏性很大，但目前尚无法计算，主要采用概念设计方法以减小其破坏性。

地面运动的特性可以用三个特征量来描述：强度（由振幅值大小表示）、频谱和持续时间。强烈地震的振动加速度或速度幅值一般很大，但如果地震时间很短，对建筑物的破坏性可能不大；而有时地面运动的振动加速度或速度幅值并不太大，而地震波的卓越周期（频谱分析中能量占主导地位的频率成分）与结构物基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。因此，强度、频谱与持时被称为地震三要素。地面运动的特性除了与震源所在位置、深度、地震发生原因、传播距离等因素有关外，还与地震传播经过的区域和建筑物所在区域的场地土性质密切相关。

建筑物本身的动力特性对建筑物是否破坏和破坏程度有很大影响。建筑物动力特性是指建筑物的自振周期、振型与阻尼，它们与建筑物的质量和结构的刚度、材料有关。通常质量大、刚度大、周期短、阻尼比小的建筑物在地震作用下的惯性力较大；刚度小、周期长的建筑物侧向位移较大，但惯性力较小。特别是当地震波的卓越周期与建筑物自振周期相近时，会引起类共振，结构的地震反应加剧。

影响地震作用的因素极为复杂，是一种随机的、尚不能预见和准确计算的外部作用，目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法，抗震结构的设计应该是概念设计、计算和构造措施等综合而完整的设计过程。

由于地震的不可预见性及地震作用的不确定性，抗震设防的结构必须重视概念设计。概念设计涉及的面很广，从方案、结构布置到计算简图的选取，从截面配筋到构件的配筋构造等都存在概念设计的内容。概念设计是相对于量化计算而言，通过力学规律、震害教训、试验研究、工程实践经验等建立设计概念、设计对策和措施，它比量化计算更能有效地从宏观上处理好结构的安全问题，特别是抗震安全。对于整个设计过程，概念设计与计算相辅相成，但是，由于地震作用的不确定性，必须有概念设计作引导和判断；计算设计常常是在概念设计的指导下完成的。

结构概念设计是高层建筑结构设计的重要内容，工程师对概念设计的掌握是一个不断学习和积累的过程，应该通过力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念（力学不能只是计算的工具），对历次地震震害的关注与对国内外震害教训经验的积累，以及对各类结构试验研究结果的了解和应用，还有大量工程经验的日积月累（不能只依赖计算结果），深入施工现场，理论联系实际，这样就会逐步提高概念设计的知识和能力。

高层建筑结构抗震设计方案

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