高层建筑是社会生产的需要和人类生活需求的产物，是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。但是对于一个高层建筑的设计，它所需要考虑的因素很多，随着科学技术的发展，其设计的严谨和重要性便更加突出。本文从高层建筑的结构设计特点和设计中常遇问题两方面出发对建筑抗震进行了较全面的分析，并介绍了四种通过改变结构动力特性的途径进行设计的方法。
【关键词】高层建筑 注意问题 减震设计
一.高层建筑的简述
在古代人们就开始建造高层建筑，不过大部分是用来服务王权的，中世纪的高层建筑是寄托着人们信仰的宗教塔楼，而现代则是以利益为主导的实用型高层建筑。高层建筑并不仅仅以高度或楼层数为其定义，重要的准则在于它的设计是否受到“高度”影响。
二. 高层建筑结构抗震设计特点
1.水平荷载和侧移是结构设计的控制因素
高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，楼面使用和楼面自重等垂直荷载主要使结构产生轴向力，并且与建筑物高度大致为线性关系，水平荷载使结构产生弯矩，并且水平荷载可以来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从变形看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，因此水平荷载是结构设计的控制因素。
2.轴向变形不容忽视
高层建筑中竖向荷载很大，因此轴力也很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，在这种情况下，如果忽略轴力的影响，会使结构设计结果偏于不安全。另外轴向变形会对构件的剪力和侧移会产生影响，因此轴向变形不容忽视。
3.结构刚度及延性需布置适宜
在很多人看来，结构的刚度越大其抗震性能更好，其实不然，高层建筑的结构并不是刚度越大越好，这样不仅会提高造价，而且可能会使建筑因刚度和脆性过大而倒塌。因此高层建筑的结构需同时具备一定的柔性，这样才会提高其抗震性能，同时为了避免建筑物的倒塌，需要在构造上采取一些措施，使结构在进入塑性变形阶段以后在承载能力不降低的情况下还会有较强的变形能力。
三. 高层建筑抗震设计中的应注意的问题
1.合理选用建筑结构体型
结构的平面布置外形应尽量规则，对称，减少偏心，避免凹凸变化尺度太大。结构对称，有利于减轻结构的地震扭转效应。一方面在结构平面方向，应尽量使结构刚度中心和地震作用中心重合，否则对体型不规则的结构类型，扭转效应会使远离刚度中心的构件产生严重震害；另一方面是指沿结构立面高度方向，结构质量，侧向刚度及承载力不宜突变，即竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度应自上而下逐渐变化，否则会造成应力集中的薄弱层出现。
平面的长宽比不宜过大，以避免两端相距太远，振动不同步，尤其是布置楼电梯间时不宜设在平面凹角部位或端部角区，它对结构刚度的对称性有显著的影响。
2.选择合适的结构体系
在设计高层建筑结构时要充分考虑建筑结构的实际高度、高宽比以及抗震性能和建筑结构所在的环境类型等因素。在此过程中，要通过综合考虑、全面比较和分析，选择最佳的结构体系。
1） 框架结构的水平刚度较差，在地震区一般适用于10层左右体型简单，刚度均匀的建筑物；对于层数较多，体型复杂，刚度不均匀的建筑，为减小侧移，减轻震害，宜采用剪力墙结构
2） 框架-剪力墙体系，当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架-剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，
3） 剪力墙体系，当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架-剪力墙体系。
4） 筒体体系，凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑
5） 钢结构体系，钢和混凝土组合结构，是钢部件和混凝土或钢筋混凝土部件组合成为整体而共同工作的一种结构，兼具钢结构和钢筋混凝土结构的一些特性。它具有承载力高，刚度大，抗震性能和动力性能好，构件截面尺寸小，施工快速方便。另外在国外的地震区，钢结构占主导地位，有钢管混凝土结构，钢骨混凝土结构和钢结构。
3.有效控制薄弱层以及加强节点的构造措施
1） 高层建筑结构薄弱层是对于结构竖向布置规则性而言的，分三种情况：一是刚度不连续，二是强度不连续，三是竖向抗侧力构件不连续。总之，只要某层出现三条件之一，就应视为薄弱层。地震来临时，薄弱部位会发生严重的应力集中和弹塑性变形集中，从而导致薄弱层及以上建筑结构的损毁，甚至引起整幢建筑物的破坏或倒塌。比如在地震区不应使用底部全部为柱子、上层为剪力墙的结构。因为这样的建筑物上下刚度差别太大，震害严重。在方案阶段力求避免在工程中存在明显的薄弱层，从而给建筑带来不安全因素和人财物的浪费，这就需要在进行高层建筑结构设计时能够对薄弱层的位置做出正确判断分析。
2） 在进行高层框架结构设计时应使节点基本不破坏，在设计中柱梁相交的核心区混凝土强度应一致，应尽量将柱梁分界面设置在梁上，而不是柱上，这样才能满足强节点的设计理念。应使节点尽量钢化不会产生铰接的情况。 四.四种结构耗能减震法
结构耗能减震法是在结构物的某些部位，例如支撑，剪力墙，楼层空间，相邻建筑间设置耗能（阻尼）装置，通过耗能装置产生摩擦，弯曲（或剪切，扭转）弹塑（或粘滞，粘弹）性滞回变形来耗能或吸收地震输入结构中的能量，以减少主体结构地震反应，从而避免整体结构的破坏或坍塌，达到抗震的目的。结构耗能减震包括金属耗能减震，摩擦耗能减震，粘滞阻尼减震和粘弹性阻尼减震四种方法。
1. 金属耗能减震法
金属耗能减震就是利用金属的滞回变形耗能特性来消耗地震输入的能量，从而减少结构耗能，使结构的破坏最低。金属的等效粘滞阻尼系数越大，耗能能力越强。钢材，铅和形状记忆合金是金属耗能常用的三种材料。
1） 当地震来临时，金属耗能器必须先于梁柱等结构构件进入塑性，这一点具有低屈服点的钢材较易实现，例如我们平时所说的软钢和低屈服点钢，软钢和低屈服点钢在弹塑性变形过程中可吸入大量的能量，有较高的柔性和延展性，有较好的变形跟踪能力，环境和温度对其性能没有较大的影响。因此几乎所有的钢弹塑性耗能器都是由软钢和低屈服点钢制成的。
2） 铅具有较高的柔性及延性，在变形过程中可以吸收大量的能量，并且具有好的变形跟踪能力。铅的高密度、低刚度及高阻尼本领使其成为耗能减震装置的极好材料。
3） 形状记忆合金是一种兼有感知和驱动力功能的新型材料，它具有高阻尼特性和大变形超弹性特性，能够重复屈服而不产生永久变形，具有很好的耗能能力。
2.摩擦耗能减震
摩擦是指两个接触表面相互作用引起的滑动摩擦力和能量损耗，是将机械能转化为热能的一种运动。目前采用摩擦耗能原理对结构进行减震控制主要是指在结构的某些部位设置摩擦耗能装置，通过耗能装置产生的滞回变形来耗散地震输入结构中的能量，从而避免结构的破坏。摩擦耗能主要分为摩擦耗能隔震结构和摩擦耗能支撑结构这两种方式。
1） 摩擦耗能隔震结构是在建筑物上部结构和下部基础之间采用云母片，滑石等材料作为摩擦耗能隔震层，当地震发生时通过隔震层的摩擦耗能来减少输入上部结构的地震能量。摩擦耗能隔震结构具有造价便宜，建造简单，没有明确周期等优点。但是其同时存在动摩擦系数不易掌握、摩擦面太大，受力不均匀、没有自复位功能，上部结构可能会因此产生较大的滑移等缺点。鉴于以上缺点，目前工程上采用较多的是通过附加复位装置或限位装置的复合摩擦耗能隔震装置。
2） 摩擦耗能支撑结构是在结构中安装带有摩擦耗能器的支撑构件，利用摩擦耗能器的摩擦来耗能，而且通过摩擦支撑结构与结构的相互作用可以减小结构动力反应，以保证结构的安全性。我国古代木结构中的“斗拱”节点便是通过“斗拱”节点的摩擦及塑性变形来消耗地震能量，以达到保护结构的目的。
3.粘滞阻尼减震
粘滞阻尼减震就是利用粘滞材料的的强耗能能力来消耗地震输入的能量，以减少主体结构地震反应。实际工程中的粘性材料既能储存能量，又能耗散能量，在适当的温度，频率和振幅范围内，承受交变应力时材料具有很强的耗能能力。普通的建筑材料在地震发生时结构振动一般都处于放大效应状态，因此调整阻尼或结构的频率就成为降低结构反应的重要途径。在结构中安置粘滞阻尼器，能有效减小结构的地震动响应，保护主体结构的安全。
4.粘弹性阻尼减震
粘弹性阻尼器是一种有效的被动减震控制装置，它主要依靠粘弹性材料的滞回耗能特性，给结构提供附加刚度和阻尼，减小结构的动力反应，以达到减震的目的。粘弹性材料的性能受温度，频率，应变和幅值等因素的影响，大量的研究结果表明，其耗能能力随着温度的增加而降低，随着频率的增加而增加.
结 语
高层建筑抗震设计是一个理论结合实际的过程，设计者必须以当今科学发展和现有高层建筑抗震现象为基础，合理确定建筑设计标准和原则，建立一个合理的结构体系。一个好的抗震设计如果实施成功，不仅可以在地震来临时保证人命的安全，还会为日后的维护整修带来便利，这会非常有利于国家建设发展。
参考文献：
[1]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场
[2]赵西安.高层建筑结构选型、构造及简化计算[m].北京：中国建筑工业出版社，1989
[3]李粤献.高层建筑结构及其设计理论[M].北京：科学出版社
[4]周云.耗能减震设计理论及应用丛书.武汉理工大学出版社
