土木工程概论论文浅谈高层建筑的抗震防风结构设计

2024年3月7日发(作者：任昌)

四 川 大 学 锦 城 学 院

学 年 论 文

题 目：浅谈高层建筑的抗震防风结构设计

作 者：

所在系别： 土木与建筑工程系

专业年级：

指导教师：

职 称：

20010 年 1 月 5 日

四 川 大 学 锦 城 学 院

学 年 论 文

浅谈高层建筑的抗震防风结构设计

作 者:

指导教师:

专 业:

四川大学锦城学院土木与建筑工程系

2010年1月

浅谈高层建筑的抗震防风结构设计

摘 要：复杂高层建筑的抗震设计是结构总体设计的重要部分，要保证其安全性与经济性就必须采用先进的结构分析及设计方法。地震作用影响因素极为复杂，它是一种随机的、尚不能准确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，要进行精确的抗震计算还有一定的困难，因此建筑（尤其是高层建筑）抗震安全问题必须引起建筑师们的高度重视，及时采取有效措施，防患于未然。

关键词：高层建筑；抗震；防风；结构设计

引 言：前世界最高的建筑物——台北101大楼。因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．台北101设置了「调和质块阻尼器（tuned mass damper）」，是在88-92楼层挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃幅。防震措施方面，台北101采用新式的「巨型结构（megastructure）」，在大楼之四个外侧分别各有二支巨柱，共八支巨柱，每支截面约3米长、2.4米宽，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。

由此可见高层建筑物的抗震抗风能力是高层建筑建造是否成功的关键。而高层建筑是在水平荷载和竖向荷载下的建筑物，所以影响它的因素很多。这里特别

强调两点，即抗震和防风方面。

一、抗震方面

1.1 应重视建筑结构的规则性

建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的，提倡平、立面简单对称。因为震害表明，此种类型建筑在地震时较不容易破坏，容易估计出其地震反应，易于采取相应的抗震构造措施和进行细部处理。“建筑结构的规则性”包含了对建筑的平立面外形尺寸，抗侧力构件布置、质量分布，承载力分布等诸多因素的综合要求。“规则建筑”体现在体形(平面和立面的形状)简单;抗侧力体系的刚度承载力上下变化连续、均匀;平面布置基本对称。

1.2 抗震概念设计应坚持的原则

1.2.1 刚柔相济原则

在抗震设计中，不能一味地提高结构的抗力，一般是根据初定的尺寸和混凝土等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后计算配筋。如果结构刚度太大，地震作用效应就很大，这样为抵御地震而需配更多的钢筋，因此，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。在较大的地震力瞬间袭来时，极易造成局部受损，最后导致各个击破;而太柔的结构虽然有很好的延性，可以消减外力，但容易造成变形过大而无法使用，甚至整体倾覆。在抗震设计中，为了实现刚柔相济的原则，既满足变形要求，又能减小地震力，最主要的方法是进行隔震消能设计。隔震消能设计一般的做法是在基础和主体之间设置柔性隔震层、加设消能支撑(类似于阻尼器的装置)等;另外，在抗震设计中“，刚柔相济”可以通过合理控制设计总信息来实现。比如周期、位移、地震力应满足GB5001122001建筑抗震设计规范限值要求或者不超规范太多。

1.2.2 多道设防原则

强烈地震后往往伴随多次余震，如果只有一道设防，在首次破坏后再遭余震，结构将会因损伤积累而导致倒塌。因此，一个抗震结构体系，应由若干个延生较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，如框架—剪力体系是由延性框架和抗震墙两个分体系组成。

1.3 抗侧力结构和构件应设计成延性结构或构件

延性是指构件或结构具有承载能力基本不降低的塑性变形能力的一种性能。

在“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则下，结构应设计成延性结构。当设计成延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形加大，但结构承受的地震作用不会直线上升，也就是说，结构是用它的变形能力在抵抗地震作用。

延性结构的构件设计应遵守“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱杆件，强底层柱”原则，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

1.4．应有意识地加强薄弱环节

1.4.1 结构在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析)是判断薄弱层的基础。

1.4.2 要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的这个比例有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。

1.4.3 要防止在局部上加强而忽视整个结构各位刚度、承载力的协调。

1.4.4 在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的主要手段。

二 、改善短柱抗震性能

在高层特别是超高层建筑结构设计中，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。按抗震设计要求，应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

2.1 使用复合螺旋箍筋

高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对硅的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的

2.2 采用分体柱

由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏

而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。人为削弱抗弯强度的方法，可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为或个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素硅连接键等形式。

对分体柱工作性态的理论分析和试验研究表明采用分体柱的方法虽然使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力稍有降低，但是使柱子的变形能力和延性均得到显著提高，其破坏形态由剪切型转化为弯曲型，从而实现了短柱变“长柱”的设想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比入蕊的超短柱的抗震性能。分体柱方法已在实际工程中得到应用。

2.3 采用铜，硷柱

钢骨硅柱由钢骨和外包硷组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接轧制而成的工字形、口字形、十字形截面。

与钢结构相比，钢骨硷柱的外包硷可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥采用钢骨硅结构，一般可比钢结构节约钢材达50%以上。此外，外包硷增加了结构的耐久性和耐火性。与钢筋砖结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小了柱截面尺寸钢骨翼缘与箍筋对硷有很好的约束作用，硷的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

由于钢骨硅柱充分发挥了钢与硅两种材料的特点，具有截面尺寸小，自重轻，延性好以及优越的技术经济指标等特点，如果在高层或超高层钢筋硅结构下部的若干层采用钢骨硅柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。

三、防风方面

风力随时间波动，但对于许多建筑来说其动态作用很小，风荷载可以用正常的静态方法处理。这种结构被定义为“刚性”结构，在欧洲规范1提供了这一分类的指南。对于细长的结构建筑，动态作用或许显著得多。这种结构被列为“柔性”结构，他们的动态行为必须予以考虑。量化风荷载最重要的参数是风速。对

于设计最基本的是最大风速（阵风），用来预测结构的设计寿命。这些影响其大小的因素是:

地理位置：在某些区域统计风速比其他地方更大。许多地区，现在有大量的统计数据可用，基本风速通常以等值线的形式公布出来，等值线就是绘制在地图上的相等的基本风速线。在欧洲规范1中基本风速被指作为参考风速，相当于在平坦空旷地区10米以上位置在10分钟以上时间内的平均速率，其逆程周期要50年。

物理位置：在暴露地点风一阵阵吹得速度会更高，例如在沿海比在有很多掩护的地方如城市中心，因为不同的表面粗糙度降低了地平面上的风速。粗糙系数考虑到了这种变化，它与地形的粗糙度以及高于地面的高度有关。

地形：地形系数考虑了涉及山丘或斜坡的特定地貌。

建筑结构尺寸：高度特别重要，因为随离地平面高度的增加，风速增加。平均风速由参考风速决定，参考风速是建筑物高度、地面粗糙度和地形的因式。风压与平均风速的平方成正比。

总结：

高层建筑的抗震和防风是极其重要的，对于这两个方面，工程师应该特别注意。

参考文献：

1、雷春浓主编·现代高层建筑设计·北京：中国建筑工业出版社，1995

2、刘大海、杨翠如 编著·高层建筑结构方案优选.北京：中国建筑工业出版社，1996

3、梁启智 编著·高层建筑结构分析与设计·广州:华南理工大学出版社，1992

4、[美]伊凡·扎可涅克、马修·史密斯、朵洛丽斯·莱斯编著·周文正译·世界最高建筑100例·北京：中国建筑工业出版社，1999.5