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摘 要 随着地震灾害的频发，高层建筑的抗地震与抗倒塌能力面临着新的要求与挑战，这就要求在高层建筑结构设计中，在保持结构强度与刚度要求的基础上，提升建筑结构的抗震性能与塑性能力，以实现对地震产生的能量进行有效吸收。文章围绕结构选型与布置等方面展开对高层建筑结构抗地震与抗倒塌能力设计思想与方法的论述。
关键词 高层建筑；设计方法；抗地震能力；抗倒塌能力
中图分类号：TU312 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）22-0161-01
地震发生时，主要通过纵波、横波以及混合波三种形式进行传播。通常而言，纵波对建筑物的破坏相对较小，而横波与混合波会对建筑结构产生较大的破坏。特别是当混合波到达地面时，会使建筑物发生剧烈震荡，并在建筑重力与建筑物加速度作用力形成的合力下，最终倒塌。因此，优化建筑结构设计，提高其抗震与抗倒塌性能，就成为了建筑物抗震防灾的重要防线。
1 建筑结构的正确选型与合理布置
1.1 正确选型
高层建筑结构设计的结构选型时，要综合考虑高层建筑的实际高度、实际功能与用途、周围环境因素、抗震性能等各种因素，对比选择最合适的建筑结构体系。通常而言，钢结构体系、框架-剪力墙结构以及剪力墙结构是高层建筑结构设计中集中较好的几类结构体系。其中，框架-剪力墙结构的框架与剪力墙分别承受垂直方向与水平方向上的荷载，具有良好的抗震性能与较强的刚度。但在设计中，要合理控制各层楼板之间的变形量，在地震作用下，能够使框架与剪力墙之间实现有效的协同。结构受力与剪力墙受力分别表现为剪切变形与弯曲变形两种形式，在地震的作用力下，框架可在底部剪力墙的协助下进行抗震，比较适用于高层建筑的结构设计。在设计时，为提高其抗震性能，要遵循“弱梁强肢”的原则展开设计，防止墙肢受到剪切破坏。而具有较好的延展性则是钢结构体系的突出优势，它能够弱化地震波产生的破坏力，减少地震波对建筑结构的破坏，且施工周期短，还具有节能环保的优势，但技术要求非常高，是将来高层建筑结构设计发展的主要趋势。最后，剪力墙结构中，建筑水平方向力与垂直荷载都由剪力墙承担，具有较强的刚度与强度，抗倒塌能力非常强。在该结构体系中，板柱形式具有较高的侧向强度，广泛应用于七级或八级的高层建筑结构设计中，抗震性能优良。针对各类建筑结构的优势，在设计实践中，要根据建筑实际功能与用途、高度以及抗震要求等，选择最佳的结构设计体系。
1.2 合理布设
在正确选择建筑结构体系的基础上，要进行结构的合理布置，在高层建筑结构的布置中，要满足如下要求。
1）对于竖向承重结构而言，结构布置要均匀，且要具有规则性，以防止内收或者外挑等情况产生；并确保其侧向刚度变化均匀、上小下大，楼层侧向刚度应≥70%的上部邻近楼层侧向刚度。
2）结构布置中要确保其具有足够的刚度、变形与承载能力，防止由于局部构件造成建筑结的综合承重能力的丧失，避免因扭转效应或局部突变形成薄弱的部位。
3）科学合理分布水平建筑结构或者竖向建筑结构的承载能力与刚度，避免连续倒塌的情况产生。
2 提高高层建筑结构抗震抗倒塌能力的设计方法
2.1 合理选择地基，设置多道抗震防线
地基沉降引起的结构破坏是高层建筑地震破坏的主要来源，基于此，强化地基抗震设计，合理选择地基就成为高层建筑抗震抗倒塌设计中必不可少的内容。在设计中，要强化前期的场地勘察工作，避免在不利的抗震地段，如河流泥石流易发地带，或山崖崖崩频发地段、地质灾害频发或生态脆弱等地段建设高层建筑，最好选择场地土坚硬的地段，以降低地震的破坏程度。同时，合理设置基础的埋置深度（桩基基础与天然地基基础的埋深分别为1/15与1/18的建筑高度），从而对建筑在水平作用下产生的滑移与倾覆产生抵抗作用，提高建筑结构稳定性。此外，在高层建筑的结构设计中，设计多道抗震防线利于避免由于建筑结构中的局部构件或者结构破坏而引发建筑结构体系风荷载、重力荷载的承受能力以及承受地震作用能力等综合抗震抗倒塌能力的丧失。例如，在框架-剪力墙的结构设计中，应使剪力墙连梁的屈服先于墙肢的屈服，使剪力墙连梁与框架作为第二道与到三道防线。在设计中，剪力墙连梁最好在梁端塑性屈服，并使其具有足够的变形能力，同时墙肢的设计应稍短，最好为联肢墙。再如，剪力墙结构体系中，可采用配置少量的纵筋，或者降低连梁的刚度等措施，使连梁先屈服。
2.2 注重结构延性设计与规则性设计
建筑结构受地震屈服之后，其塑性变形能力即称之为结构延性。它主要是运用其塑性变形对地震产生的能量进行耗散，对高层建筑结构进行合理的延性设计，促使结构的承载能力提升，那么在发生建筑结构的塑性变形时，就会有效避免变脆性突出以及塑性变形过量等问题产生。也即是通过对建筑结构的延性设计，提高建筑结构的极限弹性与抗震能力，从而提高高层建筑结构的抗震抗倒塌性能。在延性设计中，一方面可通过加强墙体、圈梁与构造柱之间的结构设计，形成塑性铰区域，提升墙体的极限弹性，避免塑性破坏现象产生，在地震发生时，可使建筑结构发挥其塑性变形功能，减轻地震作用力对建筑物的破坏程度。另一方面，高层建筑的钢筋混凝土结构也应设计成延性结构，并结合建筑结构的特点，对配筋、柱节点位置等进行合理设计，强化柱、梁的结构延性。此外，禁止采用严重不规则的结构设计方案，以免降低建筑结构的抗震效果。在设计中，结构平面与立面布置要尽量做到具有对称性与规则性，建筑刚度变化要均匀，防止偏心现象出现。从过去的震害经历中可以看出，强化建筑结构的规则性设计，使建筑结构刚度与质量分布与变化均匀，可减轻地震对高层建筑结构的破坏力度。
2.3 优化设计结构构件，提升结构性能
根据地震破坏原理，地震产生的横波以及混合波对建筑结构具有较强的破坏作用，因此在高层建筑结构设计中，应高度重视建筑结构局部与构件的设计，确保高层建筑的主体结构与其余构件的有效、稳定连接，重点加强对高层建筑的后砌墙的连接设计与框架设计。例如，在框架设计中，要严格遵循“弱梁强柱与钢梁柔柱”等原则进行设计，提升受力构件的安全性，进而提高高层建筑结构的抗震性能与抗倒塌能力。
综上所述，要全面提升建筑结构的抗震与抗倒塌性能，在设计中，要在全面掌握地震的破坏原理的基础上，正确选择高层建筑结构体系，并进行合理的布置，同时，还要从建筑结构的构件设计、延性设计、规则性设计以及多道防线设置等方面，全面优化高层建筑结构设计，提升建筑结构的抗震性能与抗倒塌能力。
参考文献
[1]叶列平，陆新征，赵世春，李易.框架结构抗地震倒塌能力的研究——汶川地震极震区几个框架结构震害案例分析[J].建筑结构学报，2009（06）：67-76.
[2]陆新征，叶列平.基于IDA分析的结构抗地震倒塌能力研究[J].工程抗震与加固改造，2010（01）：13-18.
[3]施炜，叶列平，陆新征，唐代远.不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究[J].工程力学，2011（03）：41-48.
关键词 高层建筑；设计方法；抗地震能力；抗倒塌能力
中图分类号：TU312 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）22-0161-01
地震发生时，主要通过纵波、横波以及混合波三种形式进行传播。通常而言，纵波对建筑物的破坏相对较小，而横波与混合波会对建筑结构产生较大的破坏。特别是当混合波到达地面时，会使建筑物发生剧烈震荡，并在建筑重力与建筑物加速度作用力形成的合力下，最终倒塌。因此，优化建筑结构设计，提高其抗震与抗倒塌性能，就成为了建筑物抗震防灾的重要防线。
1 建筑结构的正确选型与合理布置
1.1 正确选型
高层建筑结构设计的结构选型时，要综合考虑高层建筑的实际高度、实际功能与用途、周围环境因素、抗震性能等各种因素，对比选择最合适的建筑结构体系。通常而言，钢结构体系、框架-剪力墙结构以及剪力墙结构是高层建筑结构设计中集中较好的几类结构体系。其中，框架-剪力墙结构的框架与剪力墙分别承受垂直方向与水平方向上的荷载，具有良好的抗震性能与较强的刚度。但在设计中，要合理控制各层楼板之间的变形量，在地震作用下，能够使框架与剪力墙之间实现有效的协同。结构受力与剪力墙受力分别表现为剪切变形与弯曲变形两种形式，在地震的作用力下，框架可在底部剪力墙的协助下进行抗震，比较适用于高层建筑的结构设计。在设计时，为提高其抗震性能，要遵循“弱梁强肢”的原则展开设计，防止墙肢受到剪切破坏。而具有较好的延展性则是钢结构体系的突出优势，它能够弱化地震波产生的破坏力，减少地震波对建筑结构的破坏，且施工周期短，还具有节能环保的优势，但技术要求非常高，是将来高层建筑结构设计发展的主要趋势。最后，剪力墙结构中，建筑水平方向力与垂直荷载都由剪力墙承担，具有较强的刚度与强度，抗倒塌能力非常强。在该结构体系中，板柱形式具有较高的侧向强度，广泛应用于七级或八级的高层建筑结构设计中，抗震性能优良。针对各类建筑结构的优势，在设计实践中，要根据建筑实际功能与用途、高度以及抗震要求等，选择最佳的结构设计体系。
1.2 合理布设
在正确选择建筑结构体系的基础上，要进行结构的合理布置，在高层建筑结构的布置中，要满足如下要求。
1）对于竖向承重结构而言，结构布置要均匀，且要具有规则性，以防止内收或者外挑等情况产生；并确保其侧向刚度变化均匀、上小下大，楼层侧向刚度应≥70%的上部邻近楼层侧向刚度。
2）结构布置中要确保其具有足够的刚度、变形与承载能力，防止由于局部构件造成建筑结的综合承重能力的丧失，避免因扭转效应或局部突变形成薄弱的部位。
3）科学合理分布水平建筑结构或者竖向建筑结构的承载能力与刚度，避免连续倒塌的情况产生。
2 提高高层建筑结构抗震抗倒塌能力的设计方法
2.1 合理选择地基，设置多道抗震防线
地基沉降引起的结构破坏是高层建筑地震破坏的主要来源，基于此，强化地基抗震设计，合理选择地基就成为高层建筑抗震抗倒塌设计中必不可少的内容。在设计中，要强化前期的场地勘察工作，避免在不利的抗震地段，如河流泥石流易发地带，或山崖崖崩频发地段、地质灾害频发或生态脆弱等地段建设高层建筑，最好选择场地土坚硬的地段，以降低地震的破坏程度。同时，合理设置基础的埋置深度（桩基基础与天然地基基础的埋深分别为1/15与1/18的建筑高度），从而对建筑在水平作用下产生的滑移与倾覆产生抵抗作用，提高建筑结构稳定性。此外，在高层建筑的结构设计中，设计多道抗震防线利于避免由于建筑结构中的局部构件或者结构破坏而引发建筑结构体系风荷载、重力荷载的承受能力以及承受地震作用能力等综合抗震抗倒塌能力的丧失。例如，在框架-剪力墙的结构设计中，应使剪力墙连梁的屈服先于墙肢的屈服，使剪力墙连梁与框架作为第二道与到三道防线。在设计中，剪力墙连梁最好在梁端塑性屈服，并使其具有足够的变形能力，同时墙肢的设计应稍短，最好为联肢墙。再如，剪力墙结构体系中，可采用配置少量的纵筋，或者降低连梁的刚度等措施，使连梁先屈服。
2.2 注重结构延性设计与规则性设计
建筑结构受地震屈服之后，其塑性变形能力即称之为结构延性。它主要是运用其塑性变形对地震产生的能量进行耗散，对高层建筑结构进行合理的延性设计，促使结构的承载能力提升，那么在发生建筑结构的塑性变形时，就会有效避免变脆性突出以及塑性变形过量等问题产生。也即是通过对建筑结构的延性设计，提高建筑结构的极限弹性与抗震能力，从而提高高层建筑结构的抗震抗倒塌性能。在延性设计中，一方面可通过加强墙体、圈梁与构造柱之间的结构设计，形成塑性铰区域，提升墙体的极限弹性，避免塑性破坏现象产生，在地震发生时，可使建筑结构发挥其塑性变形功能，减轻地震作用力对建筑物的破坏程度。另一方面，高层建筑的钢筋混凝土结构也应设计成延性结构，并结合建筑结构的特点，对配筋、柱节点位置等进行合理设计，强化柱、梁的结构延性。此外，禁止采用严重不规则的结构设计方案，以免降低建筑结构的抗震效果。在设计中，结构平面与立面布置要尽量做到具有对称性与规则性，建筑刚度变化要均匀，防止偏心现象出现。从过去的震害经历中可以看出，强化建筑结构的规则性设计，使建筑结构刚度与质量分布与变化均匀，可减轻地震对高层建筑结构的破坏力度。
2.3 优化设计结构构件，提升结构性能
根据地震破坏原理，地震产生的横波以及混合波对建筑结构具有较强的破坏作用，因此在高层建筑结构设计中，应高度重视建筑结构局部与构件的设计，确保高层建筑的主体结构与其余构件的有效、稳定连接，重点加强对高层建筑的后砌墙的连接设计与框架设计。例如，在框架设计中，要严格遵循“弱梁强柱与钢梁柔柱”等原则进行设计，提升受力构件的安全性，进而提高高层建筑结构的抗震性能与抗倒塌能力。
综上所述，要全面提升建筑结构的抗震与抗倒塌性能，在设计中，要在全面掌握地震的破坏原理的基础上，正确选择高层建筑结构体系，并进行合理的布置，同时，还要从建筑结构的构件设计、延性设计、规则性设计以及多道防线设置等方面，全面优化高层建筑结构设计，提升建筑结构的抗震性能与抗倒塌能力。
参考文献
[1]叶列平，陆新征，赵世春，李易.框架结构抗地震倒塌能力的研究——汶川地震极震区几个框架结构震害案例分析[J].建筑结构学报，2009（06）：67-76.
[2]陆新征，叶列平.基于IDA分析的结构抗地震倒塌能力研究[J].工程抗震与加固改造，2010（01）：13-18.
[3]施炜，叶列平，陆新征，唐代远.不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究[J].工程力学，2011（03）：41-48.