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【摘要】本文主要分析了高层建筑结构设计过程中，如何更好的运用抗震概念设计理念和方法，提出了一些有效的设计思路和具体的设计方法，以期可以为高层建筑结构抗震设计提供参考。
【关键词】高层建筑；结构设计；抗震概念设计；应用
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、前言
随着我国城市的不断进步和发展，高层建筑不断增多，随之而来的问题就是高层建筑的抗震问题，抗震概念设计成为了当前城市高层建筑抗震设计的主要设计理念和方法。
二、建筑结构设计中的概念设计
结构抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑结构总体布置，并确定细部构造的过程。概念设计指的是在不经过计算基础上，由工程师基于设计理论基础和施工经验上进行设计。对当前的设计方案和设计概念进行评估，从而评估出符合抗震需求的设计方案。结构概念设计可以分为分析、综合及评价三个步骤。在进行方案设计时，一般先根据各种施工经验，将分析结果反映在设计图纸上。一般在该环节，设计者起到主导作用。最后的评估阶段，指的是对多种设计方案进行对比分析，最终选择出优化的设计方案。结构抗震概念设计是抗震计算的前提和基础，概念设计往往起着决定性的作用。首先，地震及地面运动的不确定性导致设计者如果仅依据抗震计算的结果而完成设计将难以保证安全可靠。其次，地震过程中地面的运动对其上建筑结构的影响复杂多样，很难精确估计，因此，如果仅依据抗震计算得到的结果将存在较大的误差。第三，目前的结构抗震计算理论也还不够精准，现行的计算理论还不能充分反映实际结构在地震作用下的反应，因此，可能会导致抗震计算的结果与实际地震反应差别较大。
三、高层建筑抗震结构的分析
现代高层建筑结构形式主要是一个垂直于地面的竖向悬臂结构。其建筑的垂直载荷主要使建筑结构产生一个与地球引力相抗衡的轴心力；建筑的水平载荷使建筑结构产生弯矩。从建筑结构的受力特点进行分析可以看出：当建筑的垂直载荷方向保持不变时，随着建筑高度的不断增加仅仅会引起量的增加而已，而这时水平载荷的方向就可以来自四面八方；而当建筑为平均分布载荷时，建筑的高度就和弯矩呈现出二次方的变化。
再从建筑的侧移特点来看：建筑竖直方向载荷引起的建筑位移是比较小的，而水平方向的载荷作为平均分布的载荷时，建筑的高度就和其侧移呈现出四次方的变化。由此可以得出，在高层混凝土建筑结构中，水平方向的载荷对建筑结构的影响是要远远大于垂直方向载荷对建筑结构的影响的，所以在进行高层混凝土建筑建设时，水平载荷是在进行结构设计时需要重点控制的影响因素，所以除了在保证高层建筑结构抵抗水平载荷产生的弯矩、剪力以及压、拉应力时，要具有较大的强度以外，还要保证高层建筑结构具有足够的刚度，使得建筑随着高度的不断升高，所引起的侧向变形能控制在结构规范允许的范围之内。
四、控制水平荷载对结构的影响
对于高层建筑而言,水平荷载是结构设计的决定因素,为了减少水平荷载对建筑结构的影响,必须采取如下措施。
1、选择合适的体型
针对水平载荷对高层建筑的影响,首要的问题是为高层建筑选择合适的体型,不同的体型水平作用力的分布有着不同的变化。一个总的原则是建筑物的 平面形状力求简单对称,尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式,避免使用凹型或凸型结构,当然,考虑到城市规划的要求以及建筑场地的限制, 这一原则只是一个目标,实际工程实例当中,很难做到高层建筑的平面形式非常对称简单,但仍然要尽可能建筑平面形式对称,并将不规则部分的比值控制在许可的 范围之内。同时,为了防止扭转振动的发生,必须尽可能使得高层建筑的重心、刚度重心以及几何中心合一。
2、提高结构的侧向刚度
（一）采用高刚度材料
从材料的角度来说,目前我国高层建筑主要采用钢筋混凝土结构,因此,如何充分发挥混凝土与钢筋的综合优势,对于提高结构的刚度意义重大。这两 种材料根据设计要求可以有多种组合,比较常见的是型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能,钢筋混凝土 与型钢,共同受力,外包混凝土对型钢有较强的约束作用,可防止型钢的局部屈曲,提高了结构的整体刚度和抗扭能力。而钢管中填入混凝土结构在高层建筑结构中 的优势更加明显,由于在钢管中填入混凝士,混凝土受到钢管的套箍而有了更高的抗压强度,而结构自身的刚度也得以大幅提高。
（二）采用合适的抗测力体系
高层建筑的抗侧力体系主要有框架剪力墙框架、剪力墙、筒体等结构、这些结构抵抗水平荷载的能力各不相同,适用范围也不一样。针对高层建筑而 言,筒体体系是最有效的抗测力体系,其在我国的工程实例当中,应用的也最广泛。这种体系由若干个筒体作为竖向承重结构,靠筒体承受水平荷载,其抵抗水平荷 载的特点是整个建筑犹如一个固定于基础的封闭空心悬臂梁,相对于单片平面结构而言,这种结构具有更大的抗侧及抗扭刚度。当然,在工程实例中,这种结构也并 非十全十美,由于这种结构具有剪力滞后效应,其抗推刚度和水平承载力也被大大削弱,对此,可以采取相关措施,如用刚臂或刚性圈梁提高框筒的抗推能力,或使 用斜撑提高外框筒的抗推能力等等。
3、采用减振装置
对子高层建筑而言,無论采用哪种结构体系或者抗侧力体系,侧向振幅是不可避免,对此,我们可用附加阻尼器(如粘弹性减震器)或动力阻尼器(如 调谐液体阻尼器,即TLD)减少侧向振幅。粘弹性减震器由三块钢板夹以聚丙烯粘弹性材料组成,由它连接楼面拓架与外框筒柱,能够很快将水平动力转化为应变 能或热能耗散掉。动力阻尼器,一般设置在建筑物的顶部,其自振周期等于或接近建筑物的第一自振周期,这样,它的惯性便可以抵消建筑结构的部分振幅。如调谐 液体阻尼器就是放置于顶层的注水刚性容器。结构的振动引起容器中水的振动,当水振动与结构的自振频率接近时,便能够取得很好的减振效果
五、抗侧力结构和构件的延性设计分析
为提高高层建筑结构和构件的延性水平要注意一下几点。①对钢筋混凝土框架结构设置时要坚持“强柱弱梁”的原则；②限制剪压比。现阶段的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式是由斜截面上箍筋能达到抗拉屈服强度及其受剪承载力随配箍特征值的增长所决定的。但是较大的配箍特征值使其不能充分发挥其强度特性，也会影响剪压比对构件变形性能，所以对剪压比限制，也是满足构件最小截面的要求；③轴压比限制。轴压比不但控制偏心受拉边钢筋抗拉的强度，而且也是受压区混凝土边缘达到其极限压应变的重要指标。无数次实验证明，轴压比越大柱的变形能力越小，尤其在高轴压比下，通过增加箍筋来改善柱变形能力这种方式收效甚微。 因此，高层建筑结构想要有比较好的抗震性，就应限制偏心受压构件的轴压比。同时也要特别注意影响高层建筑结构构件延性的其他因素包括剪跨比、混凝土钢筋材料、纵向钢筋配筋率、配箍率、箍筋型式钢筋连接、锚固方式等，要保证这些方面都应满足高层建筑结构抗震设计的要求。
六、结束语
综上所述，高层建筑结构设计过程中，必须要更加重视做好相关的抗震设计工作，采用先进的抗震概念设计方法，提高设计的科学性和有效性，提高高层建筑的抗震性能。
【参考文献】
[1]王亚勇.汶川地震建筑震害启示-抗震概念设计[J].建筑结构学报，2012，29（04）：20-25.
[2]黄存汉.建筑抗震设计技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，2011（07）：125-110.
【关键词】高层建筑；结构设计；抗震概念设计；应用
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、前言
随着我国城市的不断进步和发展，高层建筑不断增多，随之而来的问题就是高层建筑的抗震问题，抗震概念设计成为了当前城市高层建筑抗震设计的主要设计理念和方法。
二、建筑结构设计中的概念设计
结构抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑结构总体布置，并确定细部构造的过程。概念设计指的是在不经过计算基础上，由工程师基于设计理论基础和施工经验上进行设计。对当前的设计方案和设计概念进行评估，从而评估出符合抗震需求的设计方案。结构概念设计可以分为分析、综合及评价三个步骤。在进行方案设计时，一般先根据各种施工经验，将分析结果反映在设计图纸上。一般在该环节，设计者起到主导作用。最后的评估阶段，指的是对多种设计方案进行对比分析，最终选择出优化的设计方案。结构抗震概念设计是抗震计算的前提和基础，概念设计往往起着决定性的作用。首先，地震及地面运动的不确定性导致设计者如果仅依据抗震计算的结果而完成设计将难以保证安全可靠。其次，地震过程中地面的运动对其上建筑结构的影响复杂多样，很难精确估计，因此，如果仅依据抗震计算得到的结果将存在较大的误差。第三，目前的结构抗震计算理论也还不够精准，现行的计算理论还不能充分反映实际结构在地震作用下的反应，因此，可能会导致抗震计算的结果与实际地震反应差别较大。
三、高层建筑抗震结构的分析
现代高层建筑结构形式主要是一个垂直于地面的竖向悬臂结构。其建筑的垂直载荷主要使建筑结构产生一个与地球引力相抗衡的轴心力；建筑的水平载荷使建筑结构产生弯矩。从建筑结构的受力特点进行分析可以看出：当建筑的垂直载荷方向保持不变时，随着建筑高度的不断增加仅仅会引起量的增加而已，而这时水平载荷的方向就可以来自四面八方；而当建筑为平均分布载荷时，建筑的高度就和弯矩呈现出二次方的变化。
再从建筑的侧移特点来看：建筑竖直方向载荷引起的建筑位移是比较小的，而水平方向的载荷作为平均分布的载荷时，建筑的高度就和其侧移呈现出四次方的变化。由此可以得出，在高层混凝土建筑结构中，水平方向的载荷对建筑结构的影响是要远远大于垂直方向载荷对建筑结构的影响的，所以在进行高层混凝土建筑建设时，水平载荷是在进行结构设计时需要重点控制的影响因素，所以除了在保证高层建筑结构抵抗水平载荷产生的弯矩、剪力以及压、拉应力时，要具有较大的强度以外，还要保证高层建筑结构具有足够的刚度，使得建筑随着高度的不断升高，所引起的侧向变形能控制在结构规范允许的范围之内。
四、控制水平荷载对结构的影响
对于高层建筑而言,水平荷载是结构设计的决定因素,为了减少水平荷载对建筑结构的影响,必须采取如下措施。
1、选择合适的体型
针对水平载荷对高层建筑的影响,首要的问题是为高层建筑选择合适的体型,不同的体型水平作用力的分布有着不同的变化。一个总的原则是建筑物的 平面形状力求简单对称,尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式,避免使用凹型或凸型结构,当然,考虑到城市规划的要求以及建筑场地的限制, 这一原则只是一个目标,实际工程实例当中,很难做到高层建筑的平面形式非常对称简单,但仍然要尽可能建筑平面形式对称,并将不规则部分的比值控制在许可的 范围之内。同时,为了防止扭转振动的发生,必须尽可能使得高层建筑的重心、刚度重心以及几何中心合一。
2、提高结构的侧向刚度
（一）采用高刚度材料
从材料的角度来说,目前我国高层建筑主要采用钢筋混凝土结构,因此,如何充分发挥混凝土与钢筋的综合优势,对于提高结构的刚度意义重大。这两 种材料根据设计要求可以有多种组合,比较常见的是型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能,钢筋混凝土 与型钢,共同受力,外包混凝土对型钢有较强的约束作用,可防止型钢的局部屈曲,提高了结构的整体刚度和抗扭能力。而钢管中填入混凝土结构在高层建筑结构中 的优势更加明显,由于在钢管中填入混凝士,混凝土受到钢管的套箍而有了更高的抗压强度,而结构自身的刚度也得以大幅提高。
（二）采用合适的抗测力体系
高层建筑的抗侧力体系主要有框架剪力墙框架、剪力墙、筒体等结构、这些结构抵抗水平荷载的能力各不相同,适用范围也不一样。针对高层建筑而 言,筒体体系是最有效的抗测力体系,其在我国的工程实例当中,应用的也最广泛。这种体系由若干个筒体作为竖向承重结构,靠筒体承受水平荷载,其抵抗水平荷 载的特点是整个建筑犹如一个固定于基础的封闭空心悬臂梁,相对于单片平面结构而言,这种结构具有更大的抗侧及抗扭刚度。当然,在工程实例中,这种结构也并 非十全十美,由于这种结构具有剪力滞后效应,其抗推刚度和水平承载力也被大大削弱,对此,可以采取相关措施,如用刚臂或刚性圈梁提高框筒的抗推能力,或使 用斜撑提高外框筒的抗推能力等等。
3、采用减振装置
对子高层建筑而言,無论采用哪种结构体系或者抗侧力体系,侧向振幅是不可避免,对此,我们可用附加阻尼器(如粘弹性减震器)或动力阻尼器(如 调谐液体阻尼器,即TLD)减少侧向振幅。粘弹性减震器由三块钢板夹以聚丙烯粘弹性材料组成,由它连接楼面拓架与外框筒柱,能够很快将水平动力转化为应变 能或热能耗散掉。动力阻尼器,一般设置在建筑物的顶部,其自振周期等于或接近建筑物的第一自振周期,这样,它的惯性便可以抵消建筑结构的部分振幅。如调谐 液体阻尼器就是放置于顶层的注水刚性容器。结构的振动引起容器中水的振动,当水振动与结构的自振频率接近时,便能够取得很好的减振效果
五、抗侧力结构和构件的延性设计分析
为提高高层建筑结构和构件的延性水平要注意一下几点。①对钢筋混凝土框架结构设置时要坚持“强柱弱梁”的原则；②限制剪压比。现阶段的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式是由斜截面上箍筋能达到抗拉屈服强度及其受剪承载力随配箍特征值的增长所决定的。但是较大的配箍特征值使其不能充分发挥其强度特性，也会影响剪压比对构件变形性能，所以对剪压比限制，也是满足构件最小截面的要求；③轴压比限制。轴压比不但控制偏心受拉边钢筋抗拉的强度，而且也是受压区混凝土边缘达到其极限压应变的重要指标。无数次实验证明，轴压比越大柱的变形能力越小，尤其在高轴压比下，通过增加箍筋来改善柱变形能力这种方式收效甚微。 因此，高层建筑结构想要有比较好的抗震性，就应限制偏心受压构件的轴压比。同时也要特别注意影响高层建筑结构构件延性的其他因素包括剪跨比、混凝土钢筋材料、纵向钢筋配筋率、配箍率、箍筋型式钢筋连接、锚固方式等，要保证这些方面都应满足高层建筑结构抗震设计的要求。
六、结束语
综上所述，高层建筑结构设计过程中，必须要更加重视做好相关的抗震设计工作，采用先进的抗震概念设计方法，提高设计的科学性和有效性，提高高层建筑的抗震性能。
【参考文献】
[1]王亚勇.汶川地震建筑震害启示-抗震概念设计[J].建筑结构学报，2012，29（04）：20-25.
[2]黄存汉.建筑抗震设计技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，2011（07）：125-110.