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1、举例分析近和远震对高层建筑结构的影响以及高层建筑注：我们从以下方面来阐述这个问题，地震的相关概念，高层建筑的特点，举例分析近震和远震对高层建筑结构的影响，以及高层建筑如何抗震。与地震有关的几个概念震源：地球内部岩层破裂引起振动的地方称为震源。它是有一定大小的区域，又称震源区或震源体。震中：震源正上方的地面地点称为震中，实际上也是一个区域，称为震中区。震源深度：震中至震源的距离称为震源深度，用h表示。震中距：在地面上，从震中到任一点的距离叫做震中距，用表示。根据震中距可以将地震分为三类：地方震：震中距在100公里以内的称为地方震近震：震中距在1001000公里的称为近震远震：震中距超过1000公

2、里的称为远震。地震烈度：将某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度定义为地震烈度。对同一个地震，不同的地区，烈度大小是不一样的。震级：地震是衡量一次地震规模大小的数量等级，用M表示。烈度与震级的关系：（1）震中烈度：（2）非震中区烈度： 其中c为烈度衰减参数根据非震中区烈度与震中烈度的关系我们可以看出，对应于一次地震，震级只有一个，而地震烈度在不同地区却是不同的，震中的地震烈度最高，随着震中距的增加，地震烈度逐渐降低。 对同样的的地震，距离震源近，震中距就小，烈度就高破坏就大，；距离震源远，震中距就大，烈度就低，破坏就小。对于同一次地震，近震的破坏比远震的破坏要大。高层建筑高层建筑的发展第一次高

3、层建筑时期（18901900年）一、工业革命后建筑技术成就18世纪末至19世纪末，欧洲和美国的工业革命带来了生产力的发展与经济的繁荣。这时期，城市化发展迅速，城市人口高速增长。为了在较小的土地范围内建造更多的使用面积。建筑物不得不向高空发展。另一方面，钢结构的发展和电梯的出现则促成了多层建筑的大量建造。19世纪初，英国出现铸铁结构的多层建筑（矿井、码头建筑），但铸铁框架通常是隐藏在砖石表面之后。1840年之后的美国，锻铁梁开始代替脆弱的铸铁梁。熟铁架、铸铁柱和砖石承重墙组成笼子结构，是迈高层建筑结构的第一步。19世纪后半叶出现了具有横向稳定能力的全框架金属结构。幕墙概念产生，房屋支撑结构与围护

4、墙分离。在建筑安全方面，防火技术与安全疏散逐步提高。六十年代，美国已出现给排水系统、电气照明系统、蒸汽供热系统和蒸汽机通风系统，1920年代出现空调系统。由于乘客电梯的出现，建筑突破5层的高度限制（徒步可行的登高距离）。1845年奥迪斯在纽约举办安全电梯展览。奥迪斯令人信服地演示他的发明，切断缆绳，电梯箱仍安全地悬挂在半空中。1857年在纽约城百货公司安装了第一台蒸汽驱动安全电梯。18世纪70年代，蒸汽电梯被更快的水力电梯取代。1890年奥迪斯发明了现代电力电梯。1870年后，高层建筑的技术发展进入了新的阶段。纽约公正生命保险大厦被认为是高层建筑的早期版本，因为除了高度和结构外，它采用了几乎全

5、部必需的高层建筑技术元素。建筑采用装饰性的法国双重斜坡屋顶，虽只有5层，但高度达到130英尺，并且在办公楼中首次使用电梯。可以说它是电梯建筑或原始高层建筑的最早实例。1871年芝加哥发生火灾，建筑中铁部件的失败教训促成了建筑防火设计的进步。建造者开始在铁梁和铁柱外面覆盖面砖，并应用空心砖楼板，提高金属骨架的耐火性能。1879年，威廉詹尼设计第一拉埃特大厦，这个七层货栈是砖墙与混凝土混合结构。1880年巴黎建起高312m的埃菲尔铁塔， 1889年工程师埃菲尔在铁塔的斜腿上使用了双轿箱的水力电梯，其中一部能到塔顶。终于在1885年，真正的高层建筑诞生了-10层高的芝加哥家庭生命保险大楼建成。从此高

6、层建筑经历了一个多世纪的蓬勃发展。二、高层建筑发源地-芝加哥1820年芝加哥只是一个遥远的湖边小镇。但在南北战争后城市迅速发展，40年后成为美国开发西部的前哨和航运与铁路枢纽，铁路延伸1.77万公里，每天进出75趟客运列车。这时期城市人口高速增长，城市发展恶性膨胀，规划、建筑质量低劣。然而，1871年10月8日夜，芝加哥的城市发展戏剧化地停止了。当晚8时左右，芝加哥郊区的一个农家牛篷里，一只母牛踢倒了一盏油灯，牛篷随即起火，在风力作用下，火势不断扩大、漫延，最终越过两道河流，一直烧到芝加哥的市中心。48小时之内，烧毁房屋18000幢，使10万人无家可归，300人被烧死。大型商业建筑和政府建筑中

7、的所谓防火构造设施成为悲剧性的笑话。火灾中，外露的铸铁被熔化，熔化的铁水使火焰不能到达的地方起火。火灾后芝加哥的建筑防火变得谨慎和严密，重建计划开始考虑使用防火材料和技术，而不是从前的木材和裸露的铸铁。大火过后，城市重建十分迫切，因而也创造了难得的发展机遇。大规模的重建有利于合理规划，有利于发展新的建筑技术和材料，也有利于电梯的发明与改良。由于城市土地昂贵，建筑向高空发展比购买更多的土地更为经济。在建筑技术上，由于采用钢框架结构，结构自重减轻，稳定性提高在筑可以建得更高。电梯广泛使用，使5层以上的建筑成为实用。以上各种因素结合起来，促成了高层建筑的诞生和发展。1880年后的十余年间，芝加哥取得

8、高层建筑发展史上的辉煌成就。与此同时，美国其它城市由于受1873年起持续多年经济萧条的影响而无重大建设。大量的建筑设计任务吸引了一批有才华的建筑工程师（也是建筑师）聚集到芝加哥，如：詹尼 (设计第一栋高层建筑-家庭生命保险公司大楼），布思海姆(设计信托大楼一第一个采用大面积玻璃外墙)鲁特(设计蒙纳诺克大楼-世界最高砖结构建筑)，沙里文（高层建筑之父）在这一批巨将的不断努力下，形成了影响深远的芝加哥学派。这时期的建筑有一个革命性的建筑技术：放弃传统的石头承重墙，采用一种轻型的铸铁结构和石头或陶砖外墙，框架与外墙分离。三、第一栋高层建筑1885年建成10层高的家庭生命保险大厦（詹尼设计，1931年

9、被拆除），通常被认为是世界第一栋高层建筑。结构上没有承重墙，整个建筑的重量由金属框架支撑，圆形铸铁柱子内填水泥灰，1至6层为鍛铁工字梁，其余楼层用钢梁。标准的梁距5英尺，支撑砖拱楼板。砖石外立面，窗间墙和窗下墙为砖石构造，象幕墙一样挂在框架之上。建筑史称它为钢铁结构进化中决定性的一步.四、高层建筑形式的探索尽管当时的建筑技术（结构、设备等）已取得很大进步，但建筑师们仍在为寻找恰当的高层建筑形式而奋斗。一方面，工程师在创造性地发明新的科学技术，他们高效地建造桥梁、火车站、展览厅；另一方面，建筑师们却束缚在传统风格中不能自拔。他们需要寻找一条道路跳出进退两难的处境，在维护传统价值的同时不得不反映全

10、新的爆炸性的城市环境一一过速发展的芝加哥先驱精神和新的房屋建造方法。19世纪末流行的文艺复兴时期的府邸风格可作为高层建筑的原型，但随着建筑不断升高，府邸风格已很难实现，因而必须探寻新的设计构图方法。设计者试验在不同楼层坡上各种文艺复兴的风格（如罗马式、古典式、安娜皇后式等）。通常依靠几何处理，把府邸式堆放在建筑顶部，或者拉长府邸的中部，因此得到巨人的秩序（例如罗马式的拱和往式垂直伸长）。芝加哥高层建筑风格的经过三次演变1原始高层建筑风格，强调水平部分，顶部为府邸式。家庭生命保险公司大厦表现了原始高层建筑风格，建筑的立面没有表现骨架-外表的概念，而是表现传统的承重砖窗间墙-在水平层以含糊的罗马复

11、兴风格来组织。该建筑的重要特点是为美学而隐藏技术。原始高层建筑的代表作是理查逊设计的芝加哥马歇尔商场（18851987年，1930年被拆毁建停车场），建筑模仿罗马建筑先例，但风格上又类似文艺复兴宫殿。从坚实的基座到顶部的垂直连续窗，比例完美，表现出平衡、统一、简化以及视觉的明晰。圆拱清楚地表现了承重墙的本质、力量和厚重（圆拱形符合砖结构的受力特点），同时引出向上的动势，使建筑显得高耸。2扩展府邸式风格或三段式构图，运用柱式隐喻（如基座、往身、柱头），伸长中间部分。装饰为罗马式或哥特式，如大檐口、半圆拱、薄檐口、砖石结构。马歇尔商场的视觉秩序，反映出简洁、朴素的完美构图，不可多也不可少。这一点强

12、烈影响着沙里文帮助他塑造高层建筑形象。沙里文在他的两个著名作品-马车大厦和信托银行大厦中，通过扩展宫殿式风格来试验他的构成艺术、构造的自然本质和时代精神的理想。在圣.路易斯马车大厦，沙里文使用成熟的钢结构框架。只有底层的柱距显示结构，上部一半的柱子是假的，这种方法掩盖了钢结构的自然特性。摩天楼的高度由垂直的楼身分割，向上的动感包含在沉重的水平檐日内，细致的装饰使立面产生较有机的质量。沙里文最伟大的成就可能是布法罗的信托银行大厦。在这里，抽象的构图超过三段式划分。沉重的基座负担起上部的塔身，在各方面预示本来的国际式建筑风格。檐口不但是上升的楼身的结束，而且似乎是垂直元素的自然生长。3商业风格（芝

13、加哥框架），不强调立面构图，而是明确地表现支撑结构和自然的表面。形象特征为：大方窗，无檐口，窗下墙凹部有装饰或无装饰，块状和板状体量。高层建筑的特点高层建筑结构要同时受垂直荷载和水平荷载，还要抵抗地震作用。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；而到高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。下图是建筑物高度与荷载效应的关系。由下图可见，随着高度增大，位移增加最快，弯矩次快。高层建筑设计不仅需要较大的承载能力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形限制在一定的范围之内，这是因为： （1）过大的侧向变形会使人不舒服，影

14、响使用。至于偶尔发生的地震，人的舒适感是次要的。（2）过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形。变形限制的大小与装修的材料、构造做法有关。在地震作用下，非结构性的损坏会使修复费用很高，且填充墙等倒塌也会威协人的生命及设备安全，因此，对地震作用下产生的侧向变形也要加经限制。（3）过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。限制侧向变形也就是限制结构的裂缝宽度及破坏程度。（4）过大的侧向变形会使结构产生附加内力，甚至引起倒塌。这是因为建筑物上的垂直荷载在侧向变形下将产生附加弯矩，即所谓这P效应。由于高层建筑高度较大，地震作用对它的影响也较大。在地震区，应使结构具有延性

15、（延性是指结构塑性变形能力大小的一种性能），即在地震作用下，结构进入塑性阶段，以塑性变形抵抗地震作用，又要做到不破坏，不倒塌。这样设计可以降低材料消耗，经济而安全。在高层建筑中，随着结构高度的加大，结构变形增大，对结构要求也相应提高。由于上述特点，高层建筑结构设计中，抗侧力结构的设计成为关键。欲使抗侧力结构具有足够的承载能力和刚度，又有好的抗震性能，还要尽可能地提高材料利用率，降低材料消耗、节约造价，必须从选择结构材料、结构体系、基础形式等各方面着手，采用合理而可行的计算方法，还要十分重视构造、连接、锚固等细部处理。此外，任何一个好的建筑，必然是建筑、结、各种管道设备以及施工等几方面的密切配合

16、及相互合作的产物，特别是在高层建筑中，建筑功能要求高，而结构的安全性、经济性要求也高，设备多施工技术和管理都更复杂。因此，建筑师和结构工程师都必须充分认识高层建筑的特点而互相合作，才能做出好的、经济合理的设计。高层建筑结构在地震作用下的效应已知某16层框架-剪力墙结构高层建筑，第一层高5.5m，其余楼层高3.6m，每层重力荷载如表1所示，若设计要求为8抗震，类场地，设计地震为第二组（远震），结构自震周期T1=1.22s，基本震型参与系数为2=1.0，=0.9。求：等效地震力Fi和各层层间剪力Vi表1层数12345678Gi（KN）15100151001430014300143001430014

17、30014300层数910111213141516Gi（KN）1430014300143001430014300151001510010203表2结构特征周期Tg（坚硬土）（中硬土）（中软土）（软弱土）第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90表3地震影响系数最大值max6789多遇地震0.040.080.160.32罕遇地震0.500.901.40表4顶部附加地震作用系数T11.4TgT1Tg0.550.08T1-0.020解：第一步：计算总底部剪力结构自震周期T1=1.22s由8抗震、多遇地震，查表3得，max=0.1

18、6由类场地、第二组，查表Tg=0.40s因为TgT11.4Tg，根据表4得n=顶层附加力Fn=层数Gi（KN）Hi（M)GiHi（104）Fi（KN）Vi（KN）161020363.164.380.08758862212151510057.186.220.117011853297141510052.979.880.108611004397131430048.769.640.09479595356121430045.164.490.08778886244111430041.559.340.08078177061101430037.954.20.0737746780791430034.349.05

19、0.0667675848281430030.743.90.0597605908771430027.138.750.0527534962161430023.533.60.04574631008451430019.928.460.03873921047641430016.323.310.03173211079731430012.718.160.0247250110472151009.113.740.0187189112361151005.58.30.011311411350227903735.42下表是89年的地震设计规范对场地土的特征周期Tg的规定场地土近震远震0.200.250.300.400

20、.400.550.650.85对比上表和表2，可以看出，例题中应该是远震情况，假设其他条件都不变，换成近震情况，则Tg变小，变小，等效地震力Fi和各层层间剪力Vi均变小，因此在其他条件相同时，远震对高层建筑的破坏程度大于近震。通过分析表2还可以看出，特征周期值Tg随着设计地震分组的增大及场地土的变硬而增大，因此远震或软场地土将使地震影响系数曲线的Tg平台拐点向右移动，即场地土的特征周期变大，故对长周期的高层建筑（高柔构筑物）是不利的。反之，对近震或硬的场地土，其地震位移振幅小，场地土的特征周期较短，因此对低矮建筑（刚性构筑物）破坏作用大。根据资料统计,即使不同地区的宏观烈度相同,由于震中距的不

21、同及建筑物刚度的差异,使震害明显不同。处在大地震、远震中距的柔性建筑物要比中小震级、近震中距的震害严重。这是由于地震波在由震源向外扩散传播时，短周期分量衰减快而长周期分量衰减慢，且长周期地震波在软土地基中放大较多，与周期较长的柔性 结构产生共振现象。因此区分远震与近震是很有必要的。一般把设计近震简称近震设计远震简称远震。当建筑物所在的地区遭受的地震影响来自本设防烈度区或比该地区设防烈度大一度地区的地震时，成为设计近震；当建筑物所在地区遭受地震影响可能来自设防烈度比该地区设防烈度大二度或二度以上地区的地震时，成为设计远震。对于某一特定地区属于近震还是远震，在地震区划中有明确规定。当抗震设防烈度为

22、9度及以上时只考虑近震，我国大部分地区按近震考虑，只有少数地区按远震考虑。下表为部分中城市地震烈度区划表：部分远震城市6度青岛、济南、泰安、本溪、商丘、淮安、承德、哈密、德令哈、永昌、托克逊、麦盖提、吐鲁番、滁县、惠阳、美洲、三亚、肇庆、盐津、招远7度连云港、徐州、淮阴、蚌埠、合肥、济宁、枣庄、攀枝花、雅安、格尔木、定西、伊宁、西宁、五原、景谷8度独山子、泸定、石棉全国重点抗震城市北京、天津、唐山、石家庄、秦皇岛、邯郸、太原、大同、呼和浩特、包头、大连、丹东、锦州、长春、吉林、南京、连云港、徐州、合肥、蚌埠、淮南、烟台、德州、枣庄、九江、厦门、泉州、漳州、安阳、焦作、三门峡、湛江、海口、汕头、

23、成都、自贡、攀枝花、西昌、昆明、下关、东川、西安、宝鸡、咸阳、兰州、天水、嘉峪关、西宁、银川、石咀山、乌鲁木齐、喀什抗震设计地震作用特点地震时由于地震波的作用产生地面运动，并通过房屋基础影响上部结构，使结构产生的动态作用，这就是地震作用。地震波会使产生竖向震振和水平振动，一般对房屋的破坏都是由水平振动引起的。设计中主要考虑水平振动的作用，只有震中的高烈度区的竖向振动会产生严重后果时，才同时考虑竖向地震作用。地震作用使房屋产生的运动称为地震反应，包括位移、速度和加速度，加速度将产生惯性力，使房屋产生很大的内力和变形。地震作用的计算属于结构动力计算的范畴。地震作用的大小除了和地震波的特性有极为密切

24、的关系以外，还和场地土性质、房屋本身的动力特性有很大关系。地面运动最重要的特性是强度、频谱和持续时间。强烈地震的加速度或速度幅值一般很大，但是如果地震时间短，对建筑物的影响可能不大，而地震波的特征周期（或称卓越周期）与结构物的基本周期接近，或者震动时间很长，都可能对建筑物产生严重影响。观测表明，不同性质的场地土对地震波中各种频率成分的吸收和过滤效果不同。地震波在传播过程中，高频成分易被吸收，特别在软土中更是如此。因此，在震中附近或在岩石等坚硬土壤中，地震波中短周期成分丰富，特征周期可能在0.10.3秒左右，而在距震中很远的地方或是冲击土层很厚、土层又较松软时，由于短周期成分易被吸收而导致长周期

25、成分为主，特征周期可能在1.52秒。后一种情况对具有较长周期的高层建筑结构十分不利。房屋本身的动力特性指房屋的自振周期、振型与阻尼，它们与结构的质量和刚度有关。通常质量大、刚度大、周期短的房屋在地震作用下的惯性力较大；刚度小、周期长的房屋位移较大。特别是当地震波的特征周期与房屋的自振周期相接近时，会引起类似共振的现象，结构的地震反应加剧。抗震设计的目标和方法地震作用并不经常发生，强烈地震发生的机会更少。与风相比，地震作用持续的时间很短，一般为几秒到几十秒钟，但是强烈地震的破坏性很大。针对这一特点，抗震设计的目标如下，即所谓的三水准抗震目标：（1）小震作用下，结构应维持在弹性状态，保持正常使用。

26、（2）中等地震作用下，结构可以局部进入塑性状态，但结构不允许破坏，震后经修复可以重新使用。（3）强烈地震作用下，应保证结构不能倒塌。我国的建筑抗震设计规范规定，由统计得到的地震发生概率确定各地区抗震设防烈度。一般情况下，抗震设计烈度可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度，或是与设计地震加速度值对应的烈度值（如下表）。抗震设防烈度67 8 9设计基本地震加速度值0.05g0.1（0.15）g0.20(0.30) g0.40g上述抗震目标中的小震是指多遇烈度，即遭受低于本地区抗震设防列度的多遇地震；中等地震是指遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震；强烈地震是指遭受高于本地区抗震设防烈度的预估罕遇地震

27、。三水准抗震目标可以简单的概括为：小震不坏，大震可修，大震不倒。这样的三水准设计目标是合理的，也是经济而安全的。因为设防烈度的地震发生概率不大，要求结构处于弹性状态势必增加材料用量。结构进入弹塑性状态，材料塑性变形就可以吸收并耗散能量，结构变“软”了，惯性力不会再增大，只要结构有足够的变形能力，结构便不会破坏，这就是延性结构的概念。延性结构利用塑性变形而不是用承载能力抵抗地震，这样可以节约材料，也足够安全。在罕遇地震作用下，只要结构不倒塌，便可以保护人的生命和财产安全。地面运动的随机性、不确定性，再加上结构进入弹塑性状态和不同层次的设计要求，给抗震设计带来一定困难。目前，抗震设计的理论计算还不

28、完善，抗震设计有一定程度的经验性。抗震设计通过三方面体现：概念设计、抗震计算以及抗震构造设计。抗震规范规定，除了在设防烈度为6度地区的建筑，除了在类场地土上的较高建筑以外，可以不进行抗震计算，但必须进行抗震构造设计。抗震概念设计则应在所有抗震建筑中加以运用。抗震计算的目的是用定量方法估计地震反应，以保证结构有足够的刚度和承载能力。我国抗震规范要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下（小震），按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移，并用极限方法设计构件。对于重要建筑或者有特殊要求时，要用直接动力方法时程分析方法补充计算，并进行大震作用下的变形验算。这种先用多遇地震作用进行结构设计

29、，再校核在大震作用下结构弹塑性变形的设计方法，即所谓的两阶段设计方法。抗震设计的另一个重要方面是构造设计。设计时采用构造措施保证结构延性，以满足设防烈度下的要求。同时，也要通过构造措施，实现在罕遇地震作用下避免倒塌的目标。最后，要进行成功的抗震设计，必须注重抗震概念设计。概念设计是指以一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。例如，结构破坏机理的概念、力学概念以及由震害、试验现象等总结提供的各种宏观和具体的经验等。这些概念及经验贯穿在方案确定及结构布置过程中，也体现在计算简图或计算结果处理中，也会对某些薄弱部位的配筋构造起作用。概念设计带有一定的经验性。但它和抗震计算、构造设计等是不可分割、互为补充的抗震设计的重要组成部分。抗震措施生活中常见的高层建筑多为钢结构或者钢筋混凝土结构，下面我们来看一下钢结构的抗震性能。钢结构房屋的抗震性能好坏取决于结构体系构造、构件及其连接的抗震性能。常用的刚结构体系有框架结构、框架-支撑结构、框架-抗震墙板结构以及筒体结构、巨型框架结构等。钢框架结构构造简单、传力明确，侧移刚度沿高度分布均匀，结构整体侧向变形为剪切型，抗侧移能力主要取决于框架梁、柱的抗弯能力。当层数较多时，控制结构性能的设计参数不再是构件抗弯能力，而是结构的抗侧移刚度