高层建筑结构抗震设计关键参数优化与性能分析

一、引言

（一）研究背景与意义

近年来，城市化进程不断加快，高层建筑凭借其节约土地资源、提升城市空间利用率等优势，成为城市建设的主流建筑形式。然而，高层建筑结构高度大、体型复杂，在地震作用下易产生较大的惯性力、扭转效应和鞭梢效应，抗震设计难度大。地震灾害具有突发性强、破坏力大等特点，历史上多次地震中高层建筑因抗震设计不合理出现严重破坏甚至倒塌，造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此，开展高层建筑结构抗震设计关键参数优化与性能分析研究，对提高高层建筑抗震能力、保障人民生命财产安全、促进城市可持续发展具有重要的现实意义。

（二）国内外研究现状

国外在高层建筑抗震设计研究方面起步较早，已形成较为完善的理论体系和设计规范。学者们通过大量的试验研究和数值模拟，对高层建筑结构在地震作用下的力学性能、破坏模式等进行了深入分析，并提出多种抗震设计方法和参数优化策略。

二、高层建筑结构抗震设计理论基础

（一）地震作用分析

地震作用是高层建筑抗震设计的主要荷载之一，其具有不确定性和复杂性。目前，常用的地震作用分析方法包括反应谱法、时程分析法和概率地震危险性评估法。反应谱法基于大量地震记录统计分析，建立地震动参数与结构动力响应之间的关系，是工程设计中广泛应用的方法；时程分析法通过输入实际地震波或人工合成地震波，对结构进行动力时程计算，能够更真实地反映结构在地震作用下的响应过程；概率地震危险性评估法则从概率角度评估地震发生的可能性和强度，为抗震设计提供概率层面的依据。

（二）结构动力学原理

高层建筑结构在地震作用下的动力响应分析需运用结构动力学原理。结构动力学主要研究结构在动荷载作用下的振动特性和动力响应规律，包括结构的自振频率、振型、阻尼等动力特性。通过求解结构的动力学方程，可得到结构在地震作用下的位移、速度、加速度响应以及内力分布，为抗震设计提供理论支持。

（三）抗震设计原则

高层建筑抗震设计遵循 “ 小震不坏、中震可修、大震不倒” 的基本原则。“ 小震不坏” 要求结构在多遇地震作用下，保持弹性工作状态，不发生破坏；“ 中震可修” 指结构在设防地震作用下，允许部分构件出现塑性变形，但经修复后仍可继续使用；“ 大震不倒” 确保结构在罕遇地震作用下，不发生整体倒塌，保证人员安全。

三、高层建筑结构抗震设计关键参数确定

（一）结构刚度参数

结构刚度对高层建筑的抗震性能有着重要影响。合适的结构刚度能够有效控制结构在地震作用下的位移响应，避免因位移过大导致结构破坏。结构刚度主要包括抗侧移刚度和抗扭刚度，其大小与结构的材料、构件尺寸、布置形式等因素有关。例如，增加柱子的截面尺寸、合理布置剪力墙等，可提高结构的抗侧移刚度；通过对称布置抗侧力构件、设置边缘构件等措施，能够增强结构的抗扭刚度。

（二）阻尼比参数

阻尼比是反映结构耗能能力的重要参数。在地震作用下，结构通过阻尼消耗地震输入的能量，减小结构的动力响应。不同类型的结构具有不同

的阻尼比取值范围，一般钢筋混凝土结构的阻尼比取值在 0.05 左右。合理调整阻尼比，可优化结构的耗能性能，提高结构的抗震能力。例如，通过设置阻尼器等耗能装置，可增加结构的阻尼比，增强结构的耗能效果。

四、高层建筑结构抗震设计关键参数优化方法

（一）优化算法选择

遗传算法和粒子群优化算法是常用于结构参数优化的智能算法。遗传算法模拟生物进化过程，通过选择、交叉、变异等遗传操作，在解空间中搜索最优解；粒子群优化算法则模拟鸟群觅食行为，通过粒子在解空间中的迭代搜索，寻找最优解。这两种算法具有全局搜索能力强、对目标函数要求低等优点，适用于高层建筑结构抗震设计关键参数的优化。

（二）优化流程设计

基于选定的优化算法，设计关键参数优化流程。首先，确定优化目标，如最小化结构的最大层间位移角、最小化结构的地震内力等；然后，定义设计变量，即关键参数的取值范围；接着，建立目标函数和约束条件，约束条件包括结构的强度、刚度、稳定性等要求；最后，运用优化算法进行迭代计算，直至满足收敛条件，得到优化后的关键参数值。

五、高层建筑结构抗震性能分析方法

（一）时程分析法

时程分析法是一种较为精确的抗震性能分析方法。通过选取合适的地震波，将其作为输入加载到结构模型上，对结构进行动力时程计算，可得到结构在整个地震过程中的位移响应、速度响应、加速度响应以及构件内力变化情况。通过分析时程计算结果，能够详细了解结构在地震作用下的动力性能和破坏过程，为抗震设计优化提供依据。

（二）反应谱法

反应谱法是工程设计中常用的抗震性能分析方法。根据场地类别、设计地震分组等因素，确定设计反应谱，通过计算结构的自振周期等动力特性，在反应谱上查得相应的地震作用，进而对结构进行抗震计算和设计。反应谱法计算简便，能够快速评估结构的抗震性能，但无法反映结构在地震过程中的动态变化。

六、结论与展望

（一）研究结论

本研究确定了高层建筑结构抗震设计关键参数，提出基于智能算法的参数优化方法，并运用多种分析方法对结构抗震性能进行评估。通过实例分析验证，优化后的关键参数能够有效提升高层建筑的抗震性能，为高层建筑抗震设计提供了科学的方法和技术支持。

（二）研究展望

未来研究可进一步探索更高效的优化算法，提高关键参数优化的效率和精度。同时，结合实际工程需求，开展复杂体型高层建筑和超高层建筑的关键参数优化与性能分析研究，加强对新型结构体系抗震性能的研究，为高层建筑抗震设计提供更完善的理论和方法。

参考文献

[1]王翠坤,陈才华,崔明哲,等.我国典型超高层建筑的抗震韧性评价研究[J].建筑结构学报,2025,46(05):1-14+43.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2024.0388.

[2] 李 宇 轩 . 高 层 建 筑 结 构 抗 震 性 能 分 析 [J]. 安 徽 建筑,2025,32(04):79-81.DOI:10.16330/j.cnki.1007-7359.2025.4.23.

[3]胡执标,张德发.某超高层装配式建筑结构设计与抗震性能分析[J].四川水泥,2025,(04):112-114.DOI:10.20198/j.cnki.scsn.2025.04.044.