高层抗震发展与研究的论文

浅谈高层建筑抗震设计措施

为了减轻地震所造成的损害，高层建筑的抗震能力必须得到有效的提高，那么，高层建筑抗震设计措施是?

摘要 ：随着经济的不断发展，城市不断壮大，促进了建筑行业的发展。但我国人口众多，城市用地不足，高层建筑逐渐成为了城市建设的主导。高层建筑的抗震设计是设计者需要重点关注和解决的问题。和其他自然灾害不一样，地震是很难做到提前预防。到目前为止，在世界范围内，地震的预测是公认的难题。高层建筑的抗震设计已经成为了业内人士急需要解决的问题。文章通过对高层建筑抗震性能的理论研究，提出了在前期施工和设计时所需要注意的问题，并给出了具体的防范措施，希望能得到同行的认可和指教，切实可行的落实到设计修建当中。

关键词：高层建筑;抗震设计;形体;构件布置

为了减轻地震所造成的损害，高层建筑的抗震能力必须得到有效的提高。但由于地震发生的突然性以及不确定性，因此在高层建筑的抗震设计不能只依赖理论的计算，更多的应该结合以往灾害发生的原因和前人总结的抗震理念。以此实现小震不坏、中震可修、大震不倒的基本理念，尽可能的降低地震所造成的人员伤亡和经济损失，给广大人民群众一个舒心的生活环境。

1我国地震的特点

基于构造地震的活动特点，和特殊的自然条件和地形、社会条件以及历史因素，我国的地震灾害主要有以下特点：①地震的频率较高。我国地处世界两大地震带-环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，有非常明显的地震活动性，光记录在案七级以上的地震就有十多起，5级以下的地震一年发生上千起;②灾情较为严重。我国大陆的地震震源一般都比较浅，大都在地壳内部10～25km，破坏力可想而知。超过五级的地震，在我国就会造成大量的房屋倒塌和人员的伤亡;③伴有很严重的次生灾害。我国地势西高东低，呈阶梯状分布，地势复杂多样，丘陵、山地、平原、盆地、高原均有分布。地震的直接灾害，常常会引起火灾、水灾、滑坡、泥石流、台风、海啸，由于震后人员的安置比较集中，密度较大，加之震后医疗设备的不齐全，卫生环境跟不上，很容易导致大规模疫情的传播，给人们身体和心理上造成多重的伤害，远比地震的直接损害要更为严重;④成灾面积广，地震波及范围大，发生一次规模较大的地震，它有可能波及震中周围几百或者上千公里之内的地界。如我国2008年5月12号发生的汶川地震，除了黑龙江和辽宁，其他省份均有明显的震感，最远波及到了3000km之外的曼谷，可想而知它的威力之大、范围之广;⑤地震灾害呈一定的周期，目前我国处于地震高发时期，可能会维持到下个世纪初，因此一定要提前做好预防，加强建筑的抗震能力。

2建筑形体及构件布置的规则性对高层抗震的影响

2.1平面不规则

平面不规则的类型主要分为扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续。《规范》规定：建筑及其抗侧力结构平面布置宜规则、对称并具有良好的整体性。层间的布置、划分属于建筑平面的布置。内墙结构的布置、可活动的空间面积、楼梯与通道的布置位置、竹子间的距离大小、楼层间的变化布置等。如果在建筑平面时，墙体不对称布置，柱子与墙体不协调、不对称分布，在平面上将会造成建筑结构质量与刚度不协调、不对称分布，在地震时使建筑物发生扭转地震作用。有的建筑物的电梯井筒的刚度很大，却被布置在建筑平面的一侧或角部，发生地震时，使得靠电梯井筒一侧建筑物破坏严重，这是由于地震作用的主要部分被电梯井筒很大的抗侧力刚度吸引了，此典型震害的一例就是1972年的南美洲那瓜高十五层的.中央银行大厦。因为部分建筑物在布置平面时一侧墙少，一侧墙多，内隔墙中断或不对称，所以在地震发生时，地震力传递受阻和刚度发生突变等，这些都表明平面布置影响结构抗震很明显。

2.2竖向不规则

竖向不规则的类型分为侧向刚度不规则、竖向抗侧力构建不连续、楼层承载力突变。《规范》规定：建筑的竖向剖面宜规则，竖向抗侧力构建的材料强度和截面尺寸宜自上而下逐渐增大，防止抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。根据《规范》的要求对建筑的的突变限度和高度进行限制，避免产生竖向不规则类型，使竖向分布刚度和质量比较均匀，防止产生突变，避免产生薄弱和扭转。

3框剪结构中剪力墙受力特征

框剪结构中能够影响结构刚度的因素有很多，诸如剪力墙的界面尺寸、数量、位置以及它自身的形状等，其中对结构刚度影响最深的是刚度理论。在框剪结构中，结构的刚度和刚度分布是由剪力墙布置的位置和数量决定的。《高层规程》将高层建筑分为两级，即高层建筑(A级)，超限高层建筑(B级)，对应于不同的抗震设计等级，不同结构有不同的适用高度。框剪结构中，发挥最大作用的是剪力墙。剪力墙是抗侧力构件，采用这种结构时应在两个主轴外侧布置剪力墙，从而形成双向侧力体系。框架结构体系是利用梁柱组成的纵横两个方向的框架形成的结构体系。它同时承受竖向荷载和水平荷载。其主要优点是建筑平面布置灵活，可形成较大的建筑空间，建筑立面处理比较方便。主要缺点是是横向刚度小，当层数较多时，会产生过大的侧移，易引起非结构性构件(如隔墙，装饰等)破坏进而影响使用。在非地震区，框架结构一般不超过15层。框架结构的内力分析通常是用计算机进行精确分析。框架剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同时又有足够的剪力墙，有相当大的侧向刚度(剪力墙的侧向刚度大就是指在水平荷载(风荷载和水平地震力)的作用下抵抗变形能力强)。框架结构的缺点是侧向刚度小，当层次较多时，全产生过大的侧移，易引起非结构性构件破坏而影响使用，但它具有平面布局灵活，可形成较大建筑空间的优点，为了保留这个优点，同时又提高其侧向刚度，便产生了框架剪力墙结构。这个结构主要特点是在保留框架结构优点的基础上由于增设了抵抗剪力的剪力墙，从而地增加了其侧身刚度，在这个结构体系中剪力墙承担了80%的以上的水平荷载，而其中的框架仅承担了约20%，这与框架结构中不管什么方向的荷载均由框架全部承担的情况是不同的。当建筑高度、设防烈度、建筑重要性类别、基底类别等均相同的情况下，对框架结构中的框架要求要比框剪结构中框架的要求等级要高得多。框架结构的特点：建筑平面布置灵活，外墙立面设计也较为灵活，其变形特点为剪切变形和弯曲变形组合起来的剪切型变形，框架结构构件类型少，易于标准化，定型化，在材料变形性能良好的时候，可以建造到30层，一般情况下15～20层为好。剪力墙结构的特点：整体性能好，刚度大，在水平作用下侧向变形小，承载力要求也比较容易满足，其侧向变形为弯曲型，但是由于剪力墙的间距不能过大，所以其平面布置不够灵活。为了克服其缺点，会使用框支剪力墙结构，跳层剪力墙结构。

4高宽比对结构的整体抗震及经济指标的影响

4.1整体抗震

所谓建筑结构的动力作用就是地震作用，这不仅与地震强烈程度有关，而且很大的关系在于其本身的动力特性，剪重比和基底剪力是衡量结构地震反应的两个常用指标。高规推荐的高宽比是以6为界限，取高宽比以6的基底剪力为参考值的两种结构，得出结构基地剪力在高宽比变化时，相对高宽比为6时的相对值(见图1)。高宽比在增大时，结构基底剪力大约呈线性增大，结构受的地震力随高度增大成比例增大，且剪力端结构增长速度比较快。结构重力载荷和水平地震作用之比在逐步增大，起初，下滑成都比较快，随后变化就较稳定，显示了在结构周期加长时，结构更柔，地震反应减小的优点(见图2)。

4.2经济指标

若仅从结构安全角度看，目前高规中在实际设计工作中可以放宽高宽比限制。根据以往的工程经验，当建筑高度增加时会出现两方面的变化。一方面，高宽比比较大时，结构侧移将会随之发生变化，呈正向关系增大，与此同时，抗倾覆能力和整体稳定性则会受到负面影响，呈现下降趋势;另一方面，水平荷载将会短时间出现变化，迅速增大。在水平荷载作用时，建筑顶部位移同倾覆力矩呈现正相关。具体而言，建筑物顶部位移越大，倾覆力矩越大，反之亦然，高度四次方成正比，同宽度成反比。为了使结构刚度、抗倾覆能力和稳定性足够，需要增大结构构件的尺寸，材料用量也会随之增大，结构经济性更差。

5提高高层建筑抗震性能的具体措施

在高层建筑的建造中，不仅要满足材料的强度、硬度等要求，还应使其具有较好的延展性，并在指定的部位具有屈服区域。具体分为以下方面：①提高高层建筑地基的稳定性和其短柱的抗压能力。提高剪跨比，从而减小短柱的截面积，提高抗震性能。其主要方法是采用等级较高的混凝土材料并与其他可提高材料延展性的方法相结合，运用于实际施工中，提高抗震性能;②采用性能更为优良的混凝土-钢管混凝土柱来做建筑的整体结构，有于钢管内部的混凝土一直处于受压状态，其相对应的压应变及抗压强度都得到了很大的提升，解决一般混凝土延展性不好的问题;③设计之初要进行全面的分析。高层建筑结构的模型在建设前能适当的进行简化，但是其整体受力和关键部位的受力是绝对要在模型上体现出来的，构件的参数及恢复力模型的选择，应该符合我国结构构件的主要性能和结构特点，不能一味的抄袭已有的外国行业参数。根据地震等级的不同来选择与之相对应的弹塑性状态，要从结构的位移、承载力、抗压力、屈服度、阻尼比等数据进行全面的分析和讨论，正确的运用到实际的施工中去。

6结束语

随着经济的不断发展，城市建设日益繁荣，越来越多的高楼大厦拔地而起，给人们带来便利和美的享受的同时，建筑行业更应该关注的是高层建筑的抗震性能。自然灾害的发生总是那么的残酷无情而且毫无征兆。要想更好的建设国家，就必须做到提前预防，在建筑本身做文章，提高其抗震性能和应对各种自然灾害的能力。只有这样才能让人们在面对强大的天灾面前有足够的反应时间，才能真正的享受城市所带来的便利。

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高层建筑结构特点、现状及发展趋势摘要：高层建筑是社会生产的需要和人类生活需求的产物，是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。而科学技术的发展，高强轻质材料的出现以及机械化、电气化在建筑中的实现等，为高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。简要论述了高层建筑结构的特点、现状及今后的发展趋势。关键词：高层建筑结构；特点；现状；趋势前言超过一定层数或高度的建筑称为高层建筑。高层建筑的起点高度或层数，各国规定不一,且多无绝对、严格的标准。它与各个国家和地区的地理环境、地震强度、建筑材料、建筑技术、电梯的设置标准以及防火的特殊要求等很多因素有关。如在美国，24.6ｍ 或7 层以上视为高层建筑；日本则为31ｍ 或8 层以上；英国为等于或大于24.3ｍ；在我国一般8 层以上的房屋就需要设置电梯，对10 层以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火规范，因此我国的《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-９５） 将10 层及10 层以上的住宅建筑与高度超过24ｍ 的公共建筑和综合性建筑称为高层建筑。从结构受力性态的角度来看,8 层以上的房屋,风和地震等水平荷载或作用显得越来越重要，甚至起控制作用，因此《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）将10 层及10 层以上或高层超过28m 的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。当建筑结构高度超过100m 时，称为超高层建筑。1 高层建筑的特点建筑结构需同时承受水平和竖向的荷载或作用。低层建筑结构通常抵抗竖向荷载为主，水平荷载（如风荷载）或作用（如地震作用）的影响较小，它所产生的内力和位移较小，一般可以忽略。因此在低层建筑结构中，竖向荷载往往就是设计的控制因素。但在高层建筑结构中，较大的建筑高度造成了完全不同的受力情况，水平荷载不仅是主要荷载的一种，跟竖向荷载共同起作用，而且往往还成为设计中的控制因素。因此，在水平荷载作用下，若高层建筑结构的抵抗侧向变形能力或侧向刚度不足，将会产生过大的侧向变形，不仅使人产生不舒服的感觉，而且会使结构在竖向荷载作用下产生附加内力，会使填充墙、建筑装修和电梯轨道等服务设施出现裂缝、变形，甚至会导致结构性的损伤或裂缝，从而危及结构的正常使用和耐久性。因此设计高层建筑结构时，不仅要求结构有足够的强度，而且要求结构有合理的刚度，使水平荷载所产生的侧向变形限制在规定的范围内。同时，有抗震设防要求的高层建筑还应具有良好的抗震性能，使结构在可能的强震作用下当构件进入屈服阶段后，仍具有良好的塑性变形能力，即具有良好的延性性能。除了上述的结构受力特点之外，高层建筑还具有建筑功用上的特点。人们常说建筑是凝固的音乐，优美的高层建筑犹如艺术品，成为城市的一道道绚丽景观；建筑同时是时代跳动的脉搏，高层建筑占地面积小，符合了地价昂贵时代的需求，它可以节约建设用地或获得更多的空闲地面，以作为绿化等环境用地，并因向高空方向发展而缩短了城市道路和各种管线（如给排水管线等）的长度，减少了基础设施的投资。当然，大量高层建筑的建设，也会给城市带来不利的影响，如人口会密集化而造成交通拥挤问题；城市局部热场发生不利的变化以及地质的沉陷、消防的复杂化等问题。综合高层建筑的上述受力特点可知，与低层结构不同，高层建筑结构在强度、刚度和延性三方面要满足更多的设计要求。抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的关键。2 高层建筑的发展概况随着工业化、商业化、城市化的进程，城市人口剧增，造成城市生产和生活用房紧张，地价昂贵，迫使建筑物向高空发展，由多层发展为高层。19 世纪末期，开始出现了现代形式的钢框架和钢筋混凝土框架结构的高层建筑。1898 年修建的secodRandMeNa119 层大楼（美国，芝加哥），是世界上第一幢具有现代形式的钢框架结构高层建筑。而最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，为世界上第一幢具有现代形式的钢框架结构高层建筑。而最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，为1903 年修建的位于美国Cincinnati 的InallaBuildin和法国巴黎Franklin 公寓。所以，现代形式的高层建筑，只有117 年的历史。到了20 世纪50 年代以后，由于轻质高强材料研制成功，抗风、抗震结构体系的发展，新的设计计算理论的创立，电子计算机在设计中的应用，以及新的施工技术和机械不断涌现，为大规模地、较经济地建造高层建筑提供了充分的条件，使高层建筑得到迅速发展。在钢筋混凝土结构方面，其结构体系的发展历程也类似于钢结构的结构体系，由最初的框架结构（1903 年，glnallsBuildin ） 逐渐发展出框架剪力墙结构或框架简体结构和巨型结构等结构体系，使得混凝土结构的建造高度越来越高。钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好等优点，钢结构的构件可在工厂加工和制作，施工速度快，工期短。钢是建造高层建筑结构比较理想的材料，但是全钢结构用钢量大，造价高，耐火性能差，需用昂贵的防火涂料。而钢筋混凝土结构具有节省钢材、造价低、材料来源丰富、可模性好等优点，且承载力也不低，经过合理设计也可获得较好的抗震性能。因此，只有在发达国家，大多数的高层建筑才采用钢结构形式，而在发展中国家，绝大部分的高层建筑采用钢筋混凝土材料建造，且由于高性能混凝土的发展和施工技术的进步，钢筋混凝土结构仍是今后高层建筑的主要结构形式。特别是近年来，由于钢筋混凝土结构的优点，发达国家采用钢筋混凝土材料建造的高层建筑的数量也在日益增多。当然，钢筋混凝土结构的构件断面尺寸大，减少了建筑使用面积；自重大，致使基础造价增高，抗震性能也不如钢结构。因此为充分发挥钢材和混凝土这两种材料的特点，更为合理的结构形式是同时采用钢和钢筋混凝土材料的混合结构或组合结构。该结构形式经合理设计，可取得经济合理、技术性能优良的效果，近年来已成为研究的热点和发展的方向。3 高层建筑结构的发展趋势高层建筑的发展，充分显示了科学技术的力量，使建筑师从过去强调艺术效果转向重视建筑特有功能与技术因素。未来的高层建筑将朝着技术功能先进和艺术完美相结合的方向发展。3.1 新材料、超强材料的开发和应用在高层建筑结构的技术问题中，首先要解决的是材料问题。现在混凝土的强度等级已经达到Ｃ100 以上。高强度和良好韧性的混凝土有利于减小结构构件的尺寸，减轻结构的自重，改善结构抗震性能。同时，为了达到轻质高强的目的，必须在高层建筑结构中，发展轻骨料混凝土、轻混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、侧限（约束）混凝土和预应力混凝土。高性能混凝土的开发和应用，将继续受到人们的重视，也必将给高层建筑结构带来重大和深远的影响。从强度和塑性方面考虑，钢是高层建筑结构的理想材料，增进或改善钢材的强度、塑性和可焊性性能的工作人们从未停止过。特别是对新型耐火耐候钢的研发，具有重要意义，可使钢材减小或抛弃对防火材料的依赖，提高建筑用钢的竞争力。复合材料用于制作高层建筑部分构件正在开发和实践中。3.2 混合结构在高层建筑结构中广泛应用如前所述，经合理设计的混合结构可取得经济合理、技术性能（如抗震性能）优良的效果，且易满足高层建筑的侧向刚度的需求，可建造比钢筋混凝土结构更高的建筑，因此在较高的建筑中，混合结构往往仍是合理、可行的结构方案，今后建造混合结构的比率将会越来越大。3.3 新的设计概念、新的结构形式的应用现代建筑功能趋于多样性，建筑的体形和结构体系趋向复杂多变，趋向立体化，应运而生新的设计概念和结构技术的深化，采用新的结构体系，如巨型结构体系，蒙皮结构，带加强层的结构，建筑立面设置大洞口以减小风力，采用结构控制技术设置抗震机构等。3.4 高层建筑结构的高度出现新的突破进入20 世纪90 年代后，高层建筑迅猛发展，在数量、质量及高度上都有了大飞跃，高层建筑中的科技含量越来越高。参考文献[1]常跃峰,赵文忠.高层建筑结构用钢板的开发与生产[A].1999 中国钢铁年会论文集（下） [C].1999.