广州市设计院 广东省广州市 510630
摘要：建筑结构设计时，需根据建筑的形态、功能，进行科学、合理的抗震概念设计，提高结构的可靠性及经济性。一般而言高层建筑高宽比较大，形体较为复杂，抗震设计的难度显著提升。应重视建筑结构工程的抗震概念设计工作，在符合规范要求的同时，从设计概念出发，提高结构效率。本文对高层建筑结构的抗震概念进行探讨，针对常见的设计问题提出优化思路，为同类型的设计工作提供借鉴和参考。
关键词：高层建筑；结构设计；抗震设计
引言
为了适应我国建筑行业的发展需求，提高高层建筑结构工程的可靠性和经济性，需要重视高层建筑的抗震概念设计。在确保结构设计符合规范规定的抗震性能的基础上，从本质上完善抗震设计方案，提升结构工程的整体设计水平。一般来说，高层建筑的形态及功能均较为复杂，通常会出现平面不规则、竖向剖面不规则、竖向构件不连续等受力不利情况，容易造成结构的抗震性能降低、提高工程造价等问题的发生。因此需要提高在方案阶段结构专业的介入深度，从抗震概念设计理念出发，优化建筑结构布置，有利于从源头上提升高层建筑结构的抗震性能，从而实现结构设计的可靠、经济的目的。
1高层建筑抗震设计基本流程
高层建筑的抗震设计应体现科学性和系统性。为确保结构的抗震性能，要遵循建筑抗震的三水准设防目标并进行两阶段设计。对于三水准设防的性能目标选取，应综合考虑设防烈度、抗震设防类别、场地条件、结构特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素。并通过两阶段设计以实现三水准设防目标。
2高层建筑结构的抗震设计思路
抗震设计主要包含两个层面：一、通过抗震设计使结构具备相应的抗震性能；二、通过优化结构设计降低地震效应。
2.1建筑结构材料
建筑结构的地震效应与其自重密切相关，建筑的有效质量越大，地震效应越大。因此，可以通过采用轻质材料减轻结构自重，以降低结构地震效应。如加气混凝土砌块是典型的可以大幅减轻建筑自重的低密度建材。此外，为提高结构的承载力和延性，材料还应具有高强度、高韧性的特性。近年来兴起的碳纤维则凭借其密度低、强度高、抗拉能力强等综合优势被更多地应用于结构加固或混凝土改性。日本建筑师隈研吾曾在一座商务办公楼加固改造工程中广泛应用了碳纤维材料，并利用碳纤维材料特性与建筑造型相结合，使得该建筑成为了世界上第一座使用碳纤维加固且兼具良好的抗震性能与艺术造型的商务办公楼。一些建筑材料可凭借其特殊的性能赋予建筑设计新的形态，而合理的结构选型与优异的材料性能耦合往往会赋予建筑更强的抗震性能。例如，位于日本九州村区的480座房屋采用了超轻质聚苯乙烯泡沫塑料。由于该材料具有自重轻、保温防水性能好且易于加工的特性，可直接加工成壳体结构而无需设计梁柱构件。在2016年的熊本地震(7．0级)中，该建筑群几乎未遭受任何破坏，展现了该轻质结构材料抗震的优越性。
2.2建筑平立面布置
结构的抗震性能在很大程度上受到建筑平立面布置的影响，因此为了使结构具有良好的抗震性能，应当科学合理地设计建筑平立面布局。在理想情况下，建筑结构布置应做到平面布置规则及立面布置规则。其中，平面布置的规则主要要求平面构件连续完整，避免大开洞、平面布置凹凸不规则，竖向构件的平面布置应尽可能保持对称，从结构受力特性的角度上讲，即平面内刚心与重心尽可能重合，水平力传递直接有效；立面布置规则主要要求竖向构件连续完整，避免过多的竖向构件转换，从结构受力特性的角度上讲，即要求竖向构件传力直接，且竖向构件的刚心与建筑重心应尽可能重合，避免产生额外的倾覆力矩。在实际工程设计中，由于建筑功能及造型复杂，建筑平面布置往往存在形式各样的不规则，对此除了可以采用适当的加强措施提高结构的抗震能力外，还可以通过合理地设置防震缝，将单个不规则的建筑划分为多个规则的建筑单体，从而提高结构的抗震性能。
2.3结构体系及选型
进行高层建筑抗震设计时，应结合该地区的抗震设防烈度、地质条件、建筑高度等因素合理确定建筑结构类型。框筒结构及束筒结构是高层建筑中较为常见的结构形式，该类型结构优良的刚度构成系统使得结构在具备充足的竖向承载力的同时，又具有良好的抗侧力性能。在结构方案阶段，可以建立多种满足建筑功能及造型要求的不同结构选型的计算分析模型，根据结构自振周期、自重、自振模态、位移角、材料用量等参数初步分析每种结构体系在此项目中应用的优缺点。同时，应着重分析结构刚度的构成机理。在框架核心筒结构中，核心筒和框架柱通过水平构件的联系共同构成了抗侧力系统，竖向构件对于抗侧刚度的重要性不言而喻，而水平构件对于抗侧刚度的贡献同样不容忽视。正如叠合梁中必须采用栓钉连接以确保楼板与钢梁间的剪切粘结可靠，截面变形协调，这样才能发挥叠合梁良好的抗弯性能一样，水平构件除了提供了竖向支承条件外，同时为核心筒与框架柱间提供了可靠的“粘结”。因此，高层建筑中通常会在加强层设置伸臂桁架或环带构件，加强核心筒与框架柱的连系，增强竖向构件之间的变形协调能力，进而达到提高结构的抗震性能的目的。
2.4消能减震
地震对结构的作用实质上是一种能量的输入，假设结构处于理想弹性状态且不受阻力作用，则输入的能量从宏观上转化成结构的弹性势能及动能。随着地震能量的不断输入，结构的机械势能不断增大，直到结构构件应变能达到极限时，结构发生破坏。由此，从能量的角度出发，结构抗震可以从两方面研究：
一、减少地震能量的输入
从单自由度结构体系在简谐激励下的响应规律可知，在无阻尼系统中，当结构自振频率与激励频率相近时，振幅会随着振动激励不断放大。因此，结构的基本自振频率应避免与地震动频率接近，而一般情况下地震动中高频率成分较多，同条件下长周期结构的吸收的地震能量较少。由此可见，结构设计中不应因追求强度上的富余而导致结构刚度过大。
二、更快地耗散地震能量
在地震能量输入的过程中，如果伴随着结构运动发生的能量耗散较大，同样能使结构处于低势能状态，避免结构发生过度变形而破坏。在结构中应用高阻尼构件能明显提高结构运动能耗，降低地震响应。常见的耗能构件包括：耗能连梁、屈曲约束支撑、防屈曲钢板墙等。位于太原市小店区的山西宾利国际商务公寓，由两栋百米双塔构成，建筑造型独特，采用了钢框撑架结构体系，由于太原市为八度设防区，因此对结构的抗侧刚度及抗震能力有更高的要求，所以在核心筒部分的钢支撑中采用了屈曲约束支撑，一方面增大了结构的抗侧刚度，另一方面使得结构在中震及大震下具有良好的耗能能力，提高了结构的抗震性能。屈曲约束类的耗能构件一般在多遇地震中处于弹性状态，只有在遭遇中震或罕遇地震时进入塑性屈服的高阻尼耗能状态，因此该类耗能构件更多应用于高烈度地区。低、中烈度地区的高层建筑一般由风荷载控制，而屈曲约束类构件进入屈服耗能阶段意味着结构刚度退化，因此在风荷载下不宜进入屈服耗能阶段，该类构件在中、低烈度区域应用较少。
结语
综上所述，结构抗震设计的思路主要有以下几点：
1.从材料的角度上考虑，减轻结构自重，采用高性能材料；
2.从几何的角度上考虑，建筑平立面布置尽可能规整，结构传力直接有效，刚心与重心尽可能重合；
3.从结构体系的角度上考虑，竖向及水平荷载的平衡路径清晰，结构体系的刚度构成机理明确；
4.从能量的角度上考虑，通过对结构刚度的调控降低地震动对结构的能量输入，合理布置耗能构件使结构维持低势能水平。
参考文献：
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