关于超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究

摘要：21世纪，建筑行业在飞速的发展，相关的产业也在不断地搞科研创新，两者相互配合，共同进步。而在自然灾害频发的今天，对于超限高层建筑结构的设计要求更为严格，特别是抗震性能的设计，受到人们的广泛关注。本文对超限高层建筑的抗震性能做了研究分析，引出了其设计的原则和要点，并对其发展的方向做了展望。

关键词：超限高层；建筑结构；性能抗震设计；发展方向

在科技技术飞速发展的带动下，现代城市建筑的规模日渐扩大，城市现代化的水平也逐渐与国际接轨。但是一旦城市遭遇地震，受到剧烈震荡时，建筑就可能会直接倒塌，从而造成大量的人员伤亡。因此，建筑工程的抗震设计显得极为重要，必须要对建筑工程的抗震设计进行深入的研究，尤其是超限高层建筑进行设计的过程中。

一、超限高层建筑基于性能抗震设计的目标

现阶段，我国建筑工程一般利用两个不同阶段的规范，来开展基于性能的抗震设计，从而确保超限高层建筑实现小震不坏、中震可修、大震不倒的建设目标。

1、三水准目标

三水准目标中，小震不坏是指在遇到级别不高的地震后，建筑房屋的各个部位未出现裂缝，也没有受到任何损害，无需采取修复处理等措施，房屋便可继续良好使用；中震可修指的是在遭受到具备一定破坏强度的地震，建筑物尽管受到了一定程度的破坏，但采取相应的修复处理措施后，依旧能够正常使用；大震不倒则指的是在遭受强度非常大的地震时，建筑工程尽管受到破坏，但不会发生倒塌，导致大量人员伤亡的现象。

2、两个不同阶段的设计方法

将超限高层分成两个阶段来进行抗震设计，第一阶段，可以将建筑物的抗震等级规划到小震时的性能计算，对数据参数和弹性范围进行设计，同时还可以考虑地震效应和房屋荷载效应，结合建筑物的结构特点和承载能力进行适当的调整，确定建筑构件的横截面积和尺寸大小，并且注意在发生小震时的建筑结构在弹性方面的位移力度，以此来达到小震时建筑物所能承受的强度冲击，确保建筑物的安全稳定。第二阶段，以第一阶段计算出来的结果为设计参数，进行结构材料的选择，并采取相应的抗震措施，计算出建筑物在延展和变形之前所能承受的最大力，然后在构件结构设计和材料选取中尽量提升建筑物的抗冲击能力，以保证在中震时，建筑物还能有一定的抗性变能力。

3、强柱弱梁、强剪弱弯原则

为了提高超限高层建筑的抗剪抗震性，设计其建筑结构时必须坚持“强柱弱梁、强剪弱弯”这一设计原则，基于抗震性能角度，合理布设建筑的结构形式，尽量做到刚柔并济，切实提高建筑结构的刚度和强度，防止其在地震作用下发生损坏或倒塌。

二、超限高层建筑的抗震设计要点

超限高层建筑由于受到自身结构受力性能的影响，在结构设计时必须控制好建筑的抗震性，以免其在后期使用中受地震作用力而倒塌。以下几点为抗震设计注意要点：

1、建筑结构要规则

建筑物在最初的设计阶段，抗震设计最先想到的是建筑物结构，结构设计的好坏直接影响建筑物的稳定性和抗震性。建筑物的底盘要稳，结构支撑要逐级向上，上部的承重受力要轻，减少对建筑物地基的压力，设计出来的建筑物结构要呈规则性，不仅要保证建筑物的功能，还要满足建筑物的扭转刚度。在一般的建筑设计中，建筑的外观要简单大方，整体分布要均匀一致，考虑到受力荷载的影响，结构的刚性设计要尽量增强，地基的修建也要“根深蒂固”，这才能抵抗一定的地震等级，将建筑物的损坏程度降到最低，确保人身和建筑的安全。

2、控制层间位移

在对超限高层建筑进行抗震设计时，除了要对建筑平面进行合理规划外，还要考虑建筑的高宽比、位移的控制、结构所采用的材料、结构体系、装修标准及侧向荷载等更多问题。而在这其中最为重要的便是钢筋混凝土结构的位移控制，以及根据具体的地理位置所进行的设计，要保证建筑的稳定性，实现其正常使用功能等。建筑受风力及地震的影响通常会有很大的层间位移产生，因此在设计时不仅要满足建筑的刚度，而且还要注意不能超过结构本身的承载力。

三、实施超限高层建筑抗震性能设计的方法

1、加强超限高层建筑的基础设计

超限高层建筑的危险系数较大，特别是超高的部分，在防风和抗震性能的设计环节一定要谨慎，为了保证建筑物的质量，加强基础设计是关键。建筑工程师要根据不同的高度逐层设计，保证承重力度，在同等高度的设计中也要做到材料、结构、地基和受力分配等都能大概相同，这样施工建设的建筑才有与地震抗衡的资本。

2、充分减少地震作用力的输入

在抗震设计时，应当与位移结构抗震法相结合，通过分析来制定出科学、具体的减震设计方案，确保超限高层建筑结构的形变能力达到地震发生时的形变要求。工程人员除了要验算建筑结构承载力，还需对大震发生时建筑层间的位移延性以及位移角的限值比进行严格控制，明确构件的构造需求及其变形值等。

3、对建筑的刚度进行严格控制

在结构计算表格中，超限高层建筑的刚度通常表现出周期性的规律，进而对主体结构的位移变化产生影响。因此，建筑工程人员在设计过程中，可通过对有关刚度参数进行调整，从而达到调整建筑物结构刚度的目的。例如，通过对建筑截面的尺寸、混凝土强度、剪力墙结构开洞大小、梁钢度放大系数等参数进行调整，在实现建筑刚度调整的基础上，达到有效抗震的目的。

四、超限高层基于性能设计抗震设计的发展方向

1、随着全球多元化的发展，超限高层建筑的设计理念、设计形式、施工技术以及施工材料也向着多元化发展，世界各地的建筑风格和形式都在求新求异，超限高层也不限于传统的结构模式，在结构稳定性高的前提下，各种层出不穷的建筑形式纷纷涌现，其发展的方向还会向更宽广的领域发展。

2、目前遵循的超限高层设计方法也有待提高，随着科技的进步，对建筑物的设计方法也在不断变革，使得建筑物的就够越来越复杂，对抗震性能的设计要求也越来越高，如何改善这种状况成了未来行业发展的头等大事。

3、运用计算机辅助软件进行超限高层建筑设计已经不是难事，未来还有可能出现竖向不规则或者是有加强层的建筑，运用了等效原则，将建筑物的结构看成是三维自由度模型，这就使得设计变得简单一些，对不同的建筑进行比较分析，找出一个最适合的抗震设计强度。

4、目前超限高层建筑基于性能的抗震设计的性能水平是从多层建筑引入的，虽然经过了一些细化，但其使用起来还是很难界定的，每一栋新建筑都带来新的问题，由于结构可能竖向不规则，使用位移或层间位移作为评价标准还是值得商榷的。对于基于性能的抗震设计，还有一个重要的问题就是基于建筑物全寿命的损益分析，这里就包含了更多的不确定因素，超限高层建筑的在役损伤评估、全寿命估计，以及整体造价和服役期间维修改造费用的估计等，这都需要相关学者进一步去研究。

五、结束语

综上所述，超限高层建筑在现代城市生活中越来越常见，有效解决城市居民的住房紧张问题，同时节省了土地资源，促进了建筑事业的积极、健康发展。但要提及的是，由于超限高层建筑在使用过程中很容易受到地震力影响，加之楼层过高，结构本身就具有一定的高危险性，一旦设计不当，就极容易在地震作用下发生倒塌。所以，设计者在设计超限高层建筑结构时，一定要充分考虑建筑结构的抗震性能，采取有效设计措施，切实提高超限高层建筑的抗震性能。

参考文献：

[1]季静，黄超.基于性能的设计方法在超限高层建筑结构设计中的应用研究[J].世界地震工程，2013（01）：99-102.

[2]李赫男.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].黑龙江科技信息，2013（24）：188.

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