高层建筑结构抗震设计研究
绪论
高层建筑现已成为城市化和现代化的标志，自从1884-1885美国芝加哥已建的家庭保险大楼诞生以来，高层建筑的时代就开始了。众所周知我国是一个人口大国，而高层建筑的出现恰恰可以缓解住房占地少人口多的问题，现代城市建设都主要围着高层乃至超高层建筑做文章，可是我国是一个地震频发的国家，如今社会财富和人民生命的价值都变得非常宝贵。然而高层建筑受到的震害所造成的损害往往是非常巨大的，所以对于高层建筑结构设计的抗震变得刻不容缓。在国外日本作为世界上的防震强国，建立了世界上最大的震动平台，利用实体建筑实验来找出最佳建筑抗震设计，日本还有专门的防震设备研究机构，而国内对于这方面的发展还不是很完善。
根据我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）设定了各个地方的抗震设防烈度和场地来确定建筑物的结构类型。但是由于我国规定的抗震设计安全度普遍较低，仍然存在一定风险。对于高层建筑的抗震设防工作中，需要提前了解在高层建筑在实际实施中遇到的问题，从而采取对应的解决措施，场地是建筑基础，基础的稳定才能保证上层建筑安全，科学的选择建筑材料也为建筑抗震设防多一层保障。在一些关键部件多采用钢材作为原材料，钢材具有较大的韧性，可以吸收较大一部分地震时的能量。隔震和消能减震的抗震措施的运用也对建筑抗震设防中占了很重要的地位，隔震技术的不断研究和开展，加上在实际工程中的运用，层间隔震的优点逐渐显现，祁皑对层间隔震相比其他隔震措施的优点，适用情况以及在工程实例中的运用进行了综述。在减震措施中，李爱群[5]通过一个公式直接向我们展示了消能减震措施在抗震设防的作用原理。我们在抗震过程中，主要以预防为主其次在实践中检验，最后落实到以后的建筑结构中，为我们的下一代创造一个安全稳定的生活环境。
1地震基本知识和建筑结构抗震设防
1.1地震的基础知识
地震是地球内部能量突然释放、威胁人民生命财产的突发式自然自灾害。全世界每年约发生五百万次，平均每天多达一万多次，仅七级以上的地震全球平均十几次，五到六级地震每年数以百次[6]。就拿我们中国为例，我国大概平均每年受到的五级地震带来的震灾就接近有二三十次，五级以下的地震则数不胜数。人类时刻在与地震相伴，受到震灾的威胁。因此，为了减轻地震给我们带来的伤害，人类从始至终都一直对地震和抗震进行着研究和摸索，对地震的了解也伴随人类文明的发展而一步一步深入，抗震技术也慢慢趋于成熟。
1.2地震的类型和成因
地震的类型划分方式有很多种，可按地震的成因、震源深度和地震烈度等方式划分。
根据地震的成因，地震可分为三类：构造地震、火山地震和塌陷地震。
按照震源的深度，地震可分为以下三种：
（1）浅源地震：震源深度小于70km。
（2）中源地震：震源深度在70-300km。
（3）深源地震: 震源深度大于300km。
1.3建筑结构的抗震设防
建筑结构的抗震设防主要是为了安全和经济两个因素，第一保障人的生命安全，第二尽量减少地震对建筑的破坏甚至避免发生破坏来减少经济损失，减轻震害的有效措施是对已经建成的建筑结构进行抗震加固和对新建工程进行抗震设防。主要概括为三水准抗震设防要求,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计思想。
2 高层建筑结构抗震概念设计
2.1高层建筑体系的发展
高层建筑的发展离不开社会生产力的发展和人民生活环境的需要,是城市化和工业化发展的产物,而伴随着建筑技术的发展,研发了很多轻质高强材料以及机械化、电气化、计算机在建筑行业中的应用,进一步为高层建筑的发展提供了相应的技术和物质基础。
通常因为地震发生的不确定性以及结构本身的复杂性，人们对建筑物的地震破坏机理目前还不是很十分了解，因此在结构抗震设计中依然存在许多不确定因素，现行规范提供的地震作用估算和结构抗震计算的方法大都是具有一定概率水准的近似方法[1]。概念设计因根据地震及其影响的不确定性，跟据以往经受的地震灾害而总结出来的规律性，一方面要着手于结构的整体地震反应，还要合理的选择建筑体型和结构体系，另一方面还要顾及一些关键部位的细节问题很重要，最后呢要灵活的运用这些抗震思想，全面应对抗震设计中的一些基本的问题。
2.2抗震概念设计的基本内容
2.2.1建筑形状的选择
根据震害调查表明，一般不规则的结构，且没有进行特殊处理的结构，当地震发生时会给建筑带来不利影响甚至会造成严重的破坏。因此结构是否规则是影响结构抗震性能的重要因素，因为建筑设计的多样性以及结构自己本身的复杂性，通常结构也不会做到完全的规则。但是要完全符合建筑结构抗震设计概念规定的要求，并且不采纳建筑外形严重不规则的方案；如果在有需要的情况下采用不规则的建筑方案时，在规定要求的前提下可以采用必要的强化措施。
2.2.2抗震结构体系
2.2.3多道抗震防线
结构的抗震能力的大小主要体现在各个结构组成部分的两个能力，包括吸能和耗能能力，在这个抗震结构体系中，吸收和消耗地震输入能量的各部分称为抗震防线[5]。而一个完善的抗震结构体系应尽可能的多设几道防线，就算其中有部分结构在震害中发生破坏，结构功能下降或已经完全不具备抗震能力时，其他多余的防线也能起到至关重要的作用，不会使建筑发生破坏。尤其是在地震卓越周期和建筑物基本周期产生相同或者接近的时候，设多道抗震防线的优势就直接显现出来了，当第一道抗侧力防线无法承受因共振而破坏，这个时候第二道防线就开始接手，然后建筑物的自振周期也随之而发生幅度较大的变化，从而达到与地震卓越周期错开的目的，这样就能使建筑物的共振现象得到缓解，最大化的降低地震带来的破坏。但是对于具有多道防线的结构，第一是要求结构具备不错的延性和耗能的能力，第二是要求结构拥有尽可能多的抗震赘余度。
3高层建筑结构抗震遇到的问题
3.1场地的选择
高层建筑在选取场地时，应尽量选择开阔、平坦、坚硬密实等地形，避免在河岸、边坡的边缘、状态明显不均匀的土层。地基是建筑的基础，选择一个较好的场地也是高层建筑抗震的重要因素之一，当有必要在不利的地段上的建筑方案时应严格遵循建筑设计的有关要求，进行仔细的场地评价和研究并采取相应的抗震措施。
3.2 部分建筑高度过高问题
根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）[7]规定高层钢筋混凝土建筑在相应的抗震设防烈度下都有规定的最大使用高度，在规定的高度内建筑还是比较安全的，但是高层建筑已经不能满足我们现有的需求了。人类正向超高层建筑发起新一轮挑战，但这也需要相应技术的支持才行，现如今超高层建筑也比比皆是了。但在地震作用下时，高层建筑和超高层建筑所受到的地震作用力将会相差巨大，随着建筑高度的增加，其中各种指标都会相应的变化，甚至达到质变的效果，所以需要另外专门研究和论证，并采取有效的加强措施才行。
3.3较低的抗震设防烈度
现如今很多的专家和学者都一致认为，如今实行的建筑结构设计安全度的值已经不能完全适应我国的国情需要了。甚至提出了我国所采用的可能是世界上最低的建筑结构设计安全度的意见，都主张要大幅度的提高我国的建筑结构设计安全度。此外，对于以前三大抗震设防水准“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计思想，在新的情势下应该重新审视了。我国除了抗震设防标准还是比较低以外呢，在抗震计算方法和构造规定的安全度也低于国外的要求，在配筋率、轴压比和梁柱承载力匹配等这些对于可以优化抗震延性要求也比不上外国。随着经济的飞速发展，社会财富的快速增长，震害带来的损失也非常巨大，因此有人提议结构在设防烈度下应该采用弹性设计。
3.4建筑结构抗震材料选用不科学
在我国高层建筑中高度在一百五十米甚至超过它的建筑中，基本上都采用了三种主要的结构体系，这也都是其他国家采用过的主要体系。但是有一点不同的是在国外，尤其是在地震区是以钢结构为主。虽然这会对钢材的需求会比较大，虽然现如今我国钢产量已经达到较大的数额了，但各个国家国情都不一样，在我国钢筋混凝土结构和混合结构占了百分之九十左右，对于这么高比例的钢筋混凝土结构和混合结构，不管是国内还是国外都还没有真正经受过较大地震的考验。
采用混凝土核心筒，由于主要结构采取灌注混凝土，于是可以减少一部分钢材，但最后能省出多少也要作进一步的分析计算才能得到。但是在那个年代建筑结构不需要材料越省才是越好，质量才是第一要素，应该注意结构体系和材料的优先选择，而我国钢产量已经很大了，在有必要的地方尽可能采用钢结构为主的结构构件，如钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构或钢结构，从而可以减少柱的断面尺寸，来完善建筑的抗震性能。
4高层建筑抗震设计的方法
在高层建筑结构抗震设计工作中，一般都会采用延性较高的材料，我们把能够适当调整建筑结构刚度的结构称为延性结构。而这种结构在地震发生时，采用这种结构的高层建筑就会进入到具有较大延性的塑性状态，地震带来的能量就会降低，从而减少了地震带来的危害，也就保护了高层建筑的结构。换个角度说，就算某高层建筑在设计时的承载能力不是很高，但是具备很高的延性时，当地震来临时也不会那么轻易就倒下的，其中的原因绝大部分就是因为这部分较高延性的结构吸收了很大一部分地震的能量，大大的降低了地震反应。比如阻尼器的运用在抗震结构中取得了较大的效果，它可以充分吸收地震的能量，以减轻地震给建筑建构造成的影响。
4.1建筑结构隔震的主要措施
（1）建筑结构的基础隔震
通常把对建筑物的基础采用特殊方式进行处理的方式称为基础隔震，可以减弱地震时带来的地震波，达到减小地震对建筑结构破坏的目的。在传统方法中，一般是在基础部分铺设黏土和砂子，或者直接在基础上加设黏土或者砂子垫层。而经过很多年的演变，对建筑材料的研究发展逐步深入，人们发现将沥青作为原材料替换黏土和砂子而达到的隔震效果明显提高，所以建筑材料的选择对于抗震也是非常重要。但由于基础隔震主要适用于低层和多层建筑物，而对于高层建筑来说达不到理想的效果，所以该方法对于高层建筑使用频率较低。
（2）建筑结构的层间隔震
层间隔震技术是随着隔震和制震技术的研究和发展，加上一些工程实例的验证而产生的新的隔震形式，本文论述的主要包括两种隔震结构：第一种是在结构一层或者中间层设置相应的隔震结构，第二种是把TMD系统中的弹簧阻尼器用其他的构件替换，比如用叠层橡胶。
层间隔震与基础隔震结构的最大的差别在于位置的不同，而层间隔震能弥补基础隔震结构的一些缺陷，比如近海建筑的橡胶隔震支座很有可能会被海水的涨潮海水所侵蚀，而层间隔震结构的优势就显现出来了。图4-1对于不同的隔震层位置，层间隔震的形式也不一样。
（3）建筑结构的悬挂隔震
悬挂隔震是指将结构的全部或绝大部分质量悬挂起来，使地震带来的震动传递不到建筑物的主体上，从而达到隔震的作用。因为悬挂的质量较大，因此使用这种隔震措施需要采用高强度钢，才能使悬杆有足够的强度承受，一般适用于具有大型钢材的结构。而一般大型钢结构都会使用这种钢结构悬挂体系，但由于高强度钢韧性较低的缺点，无法承受地震带来的竖向承载力，因此在吊点会相应设置减震弹簧，加上阻尼器的效果会更好。这里以位于香港43层的汇丰银行新大楼的典型例子来阐述悬挂隔震的作用效果。从图4-2中可以看出该建筑采用了大量的钢材，建筑的重点是“衣架计划”的设计方案，整个的地上建筑采用了四个构架支撑，其中每个构架包括2根桅杆，具体分布在五个楼层作为支撑悬吊式桁架。
建筑结构的减震措施主要是通过建筑物主体之外加设部件来提高建筑物的阻尼，吸收地震带来的能量，从而减弱地震给建筑物带来损害，以达到抗震设防的目的。这种原理可以用能量守恒定律来解释。4.3 减少地震带来的能量输入
在抗震设计工作时应该积极采用基于位移的结构抗震方法，为了实现这个方法，首先要研究简单结构的构件和配筋的联系，根据变形要求对构件进行相应设计，从而对整个建筑结构在震时的弹塑性变形和构件变形的关系[10]。并且要进行仔细分析每一种设计方案，来保证地震发生时结构的变形弹性完全满足在预期地震作用下的变形要求，应严格检测建筑结构的整体承载能力，其次还要注意在地震作用力影响下高层建筑层间的位移限值或位移延性比，在计算建筑构件的变形值时，还应充分的考虑到建筑结构位移与构件变形之间的关系，来确定构件在震时的变形值，并根据截面达到的应变大小及分布，从而得到相应构造的需求。对于高层建筑在选择场地时，应选择坚硬的场地在地震发生时，就能降低地震的能量，达到保护建筑的目的。
5高层建筑结构抗震设计的展望
以目前我国经济发展的速度，我相信未来十几年后，我国将是世界上高层或者超高层建筑最多的国家，高层建筑数量越多责任就越大，相应的抗震设计工作也将面临着巨大的挑战，我们不但要在量上面争创新高，同时在质上面也不能一点马虎，首先要严格测试建筑材料对抗震结构的作用影响，以及各类建筑材料的指标是否符合抗震性能规定，这直接关系着是否具有保障建筑抗震能力，其次加大对抗震材料研究和发展的力度，科技是第一生产力，进而抗震技术在高层建筑中的运用也会得到相应的提高。随着计算机技术的运用的愈发成熟，利用科技带给我们的便利以及对地震作用的进一步了解，我们可以模拟高层建筑在遇到地震时的真实反应情况来发现可能出现的问题并及时提出相应的解决办法，虽然不能完全的相信模拟所得的结果，但是基本上也给了我们较接近的心理准备，从而能以最小的代价换取可能出现的最大的损失，来实现抗震最基本的目标。
6结论
本文主要通过实际实施中关于抗震结构的相关问题为背景，提出相应的解决措施来保障建筑结构的安全，并叙述了抗震设计方法的几种主要的隔震和消能减震的措施，得出了以下主要结论：
（1）在高层抗震概念设计中，规则的建筑物形状在震时受到的损害较不规则形状会降低很多，且采用多道抗震防线也会为抗震设防多一层保障。
（2）对于高层建筑结构抗震实际实施中的各种问题，应按规范要求并结合现场情况制定妥善方案，尤其在场地和建筑材料的选择更加重要。
（3）科学的隔震结构措施能有效的减少建筑在地震时的损坏，而消能减震措施的运用，在抗震结构的基础上进一步减轻了地震带来的能量输入，避免建筑在震时构件发生严重变形或破坏。
（4）基于位移抗震设计要满足结构变形需求转换为构件变形需求，通过增加构件的延性来达到使构件的变形能力大于它的变形需求，以及结构的变形能力大于它的变形需求。
高层建筑抗震设防直接关系着人民的生命及财产的安全，只有保障高层建筑在震时的安全，经济和建筑行业才能朝健康的方向发展。