钢筋混凝土超高层建筑结构的抗震设计

 【摘要】随着我国经济的不断发展，我国的超高层建筑设计不断完善，其中钢筋混凝土框架结构由于具有良好的刚度、延性及较强的整体性，发展成为主要的结构形式。然而，由于我国处于地震带，对钢筋混凝土超高层框架结构建筑的抗震性能提出了要求，本文从当前钢筋混凝土结构抗震设计中存在的问题入手，简要概述抗震概念设计遵循的基本原则，并对超高层混凝土建筑抗震结构设计的方法进行逐一分析总结，希望对钢筋混凝土超高层建筑结构抗震设计研究有一定的借鉴作用。

【关键词】超高层建筑；钢筋混凝土；抗震设计

前言

随着我国社会经济的不断发展，我国的建筑业得到迅猛发展，超高层、超高层建筑越来越多，建筑结构造型和功能也越来越美观与先进，许多建筑采用底部大裙房、上部多座塔楼的建筑形式。然而这些复杂的建筑形式的出现也会带来一些问题，其中最重要的就是其结构造型给抗震分析以及抗震设计带来诸多新的问题。国外对钢筋混凝土超高层建筑结构抗震设计有了较为成熟的研究，也有许多建筑案例（如图1）。国内虽然经过数十年的研究分析，也已经出现包括分析软件TBSA和TAT等在内的超高层建筑设计分析软件，这些软件能够帮助建筑设计师或工作人员对建筑的抗震性能进行一定的研究，但设计中还经常会遇到许多程序、规范不能解决的问题，存在一定的局限性。这就需要结构工程师依据概念设计把复杂的问题通过科学分析简化。以适应社会发展的需要，同时也为结构工程师提供更多关于抗震设计的有参考价值的设计依据。

1超高层建筑结构抗震设计要点

1.1平面规则性超高层建筑结构抗震设计特点

平面规则性超高层建筑具有以下的特征：楼板的形状不规则且凹凸不平，楼板之间没有较强的联系、楼板的局部之间断断续续，结构扭转效应明显等。针对上述特点，这类的建筑结构的抗震设计需要注意以下几点：（1）如果楼板的形状凹凸不规则或楼板局部断断续续，则可以采用弹性楼盖模型，使其符合楼板平面内的实际刚度变化，或者按照分块刚性楼板与局部弹性板的原则进行计算，当然，扭转藕联效应也需要考虑进去。（2）对于楼板中应力集中部位以及连接较弱的楼板，可以适当加大楼板的厚度，具体的方法有双层双向配筋、配置45°斜向钢筋、配置集中配筋的边梁。（3）如果楼板之间没有较强的联系或者平面过于不规则，或建筑物过长，则可以通过调整变形缝来把其结构切成若干个子结构。如果一些超限高层的建筑物有明显的结构扭转效应，则应该尽量保证抗侧力构件在平面布置中的对称性，同时应该尽量加大外围竖向构件的抗侧刚度和强度。

1.2竖向规则性超高层建筑结构抗震设计特点

竖向规则性超高层建筑具有以下的特征：在立体上建筑呈现收进的状态，其主要存在形式为连体建筑，建筑内部转换层结构，大底盘多搭楼等，针对上述特点，这类的建筑结构的抗震设计需要注意以下几点：（1）当超高层建筑的立面收进超过一定限度时，应该保证结构的层受剪承载力大于相邻上一楼层的80%，并且合理控制结构的扭转效应。同时应该加强收进部位、竖向构件以及建筑内部的楼板。一旦立面收进产生偏差，建筑底部的结构就会因为扭转而产生较大内力，这就要求建筑底部结构的周边构件的配筋强度足够大。通常情况下，建筑设计师会采用台阶形多次内收的立面来改善这一困难。（2）对于连体建筑来说，其周边以及连接部位应该按照弹性板来计算，连接体与主体宜采用弱连接，并尽可能减少其重量，同时，钢结构可以优先考虑。连接体及与主体相邻的结构构件的抗震等级应尽量提高其等级。（3）对于带转换层结构的超高层建筑，应该尽量保持其上下主体的竖向结构连续贯通，并对其下部主体结构的刚度进行加强，而对其上部主体结构的刚度进行弱化，通过相应的措施来对转换层上下的等效刚度比进行合理的控制，同时，为了提高框支层的抗震能力与延展性，应该将框支柱承担地震剪力的比例进行增大。而为了减少转换层上下的等效刚度比，可以将上部各层刚度适当减小。一般来说，高振型影响与转换层的高度呈正比关系，即转换层越高，高振型影响越大，转换层上下层间位移角及内力突变也越明显，因此，需要合理控制转换层的高度。（4）在设计大底盘多塔楼的时候，应该尽量提高其底盘的承载力，其目的是防止结构在底部首先屈服。对于连接各塔楼的裙房屋面来说，要适当加大其刚度，其目的是使底部的裙房与上部的塔楼共同振动。然而，当底部加强时，薄弱层会发生上移，从而增大上部结构的位移，因此底盘承载力的的提高需要掌握好其度。在设计塔楼的薄弱部位的时候，应该全高加密该层柱箍筋，并增大箍筋的直径与剪力墙的水平钢筋。

2超高层混凝土建筑抗震影响因素

2．1建筑扭转效应

在对超高层混凝土建筑结构进行抗震设计过程中，为保证混凝土整体位移一致，同时得到最小和最大的位移结构刚度，应该对建筑物垂直向力及横向力进行防护，提高扭转力作用。因为地震的发生具有突发性和随机性，所以对地震发生的时间、强度难以预测准确，因此在分析建筑整体的抗震性能同时，要及时检查出建筑物内部的抗震隐患，科学分析，及时纠正，保证超高层混凝土建筑的抗震性能。

2．2建筑物建设位置

合理选定超高层混凝土建筑的建设位置是极其重要的，因为我国地处地震频发地带，所以在选址之前，要合理科学对建筑项目所在地的地质情况进行彻底的综合性分析，减少超高层混凝土建筑遭受地震的危害的几率，同时良好的建筑土质也能提高超高层混凝土建筑具有较强的抗震性能。所以为避免建筑位置为松软土质，也应该尽量远离电厂、变电所等工厂。

2.3抗震加固环节

超高层混凝土建筑结构在设计过程中，对建筑物进行抗震加固是非常有必要的，因为这样的设计可以满足建筑延伸性及刚度的要求。在实际的建筑施工过程中，由于超高层建筑物的钢筋混凝土重量大，所以底部柱轴力应该与建筑的高度呈正比关系，只有这样建筑主要构件才能有很好延伸性，在遇到强震时可以减少剪切性对墙体的破坏，这体现了对超高层混凝土建筑结构进行抗震加固设计的重要性。在实际设计过程中，建筑设计师会以强柱弱梁限值为依据，综合考虑框架柱的强剪弱弯和剪压比，才能使设计的柱子顶端的抗弯能力达到合格的质量标准。与此同时，螺旋复合箍筋的使用可以提高柱子的抗冲剪能力和短柱抗震性能，在地震强度不是很强时，保证短柱不对地震剪切力破坏。因为建筑的短柱具备的抗剪性能力低于抗弯能力，所以设计过程中要保障短柱承受抗弯的屈服强度。

3隔振、减振在超高层建筑结构抗震设计中的应用

隔振、减振是在超高层建筑工程上防止振动危害的主要手段。其中减振可分为主动减振和被动减振。在实际的生产生活中，相关设计工作人员会根据隔振、减振的原理，采用以下几种办法实现超高层建筑结构的有效抗震。

3.1粘弹性阻尼结构

通过大量试验和数据分析表明，粘弹性阻尼结构可以有效的将超高层建筑的地震反应减小40～80％，这在很大程度上可以保证建筑主体结构强震中的安全性，是高层结构的舒适度控制在科学合理的范围之内。粘弹性阻尼结构见图2。

3.2吸能减震

吸震减震是隔振减振在超高层建筑结构抗震的又一方法，这种方法的最大特点是，使建筑结构的震动在合理的范围内，发生一定的位移，从物理学角度来讲，就是使建筑结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配，以此达到减小结构震动的效果。当前，有许多吸震减震的装置运用于超高层建筑的抗震设计中：调谐质量阻尼器，调液（柱）阻尼器、悬吊质量摆阻尼器记忆质量放大器等。

3.3金属阻尼器

金属阻尼器能够起到抗震效果，主要是通过在框架中加屈曲约束支撑，在合理的荷载力下，对建筑物实现支撑的作用，当地震发生时，金属支撑能以自身的塑性变形来消耗地震的能量，从而对超高层建筑主体结构起到良好的作用。

4总结

在经济高速发展的今天，人们的居住水平不断提高，超高层建筑越来越多，而在对超高层混凝土建筑结构设计时，其抗震结构的设计就显得尤为重要。要以科学合理的方式增强建筑的抗震能力，切实保障公民的生命与财产安全。本文从我国目前钢筋混凝土结构抗震设计存在的问题与现状入手，简要概述超高层建筑结构抗震设计要点，并重点对隔振、减振在超高层建筑结构抗震设计中的应用进行分析，希望对钢筋混凝土超高层建筑结构抗震设计研究有一定的借鉴作用。

参考文献

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