高層混凝土建筑抗震結構設計探析

李銀軍

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【摘 要】抗震設計是建筑結構設計重要環節，高層建筑結構對抗震性能有更高要求，其抗震設計成為結構工程設計的難點與重點。面對如此形勢，高層建筑的結構設計探索應放在首位加以研究。本文簡要分析建筑抗震設計存在的問題，以此對高層混凝土抗震設計進行分析研究。

【關鍵詞】高層建筑；混凝土結構；抗震設計

引言：地震作用影響因素的復雜性使精確的抗震計算有一定的困難，因此建筑抗震問題必須引起足夠重視。高層建筑層數多、高度高，結構也比一般建筑復雜，隨著高層建筑的增多，一旦遭遇地震，將會造成巨大損失，高層結構抗震設計越來越重要。所以，采取有效措施，做好高層建筑結構的抗震設計，防患于未然，對提升高層建筑抗震能力有重要意義。

1.抗震設計思路

我國《建筑抗震規范》對建筑的抗震設防提出小震不壞，中震可修，大震不倒三個水準的設防要求。地震的隨機性、不確定性和復雜性意味著建筑物會遭遇的地震特性和參數難以預測。高層建筑物龐大復雜的特點，使遭受地震作用后表現也十分復雜。結構分析方面也存在著不確定性。因此，結構工程抗震問題應立足于工程抗震理論及長期工程抗震經驗總結，從概念設計的角度著眼于結構的地震反應，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計中的基本問題，從根本上提高結構的抗震能力。

2.建筑抗震設計存在的問題分析

要研究高層建筑結構的抗震設計，必須先分析高層建筑抗震設計存在的問題及影響因素。

2.1地基選取問題

高層建筑不應跨在兩類土壤上建造，應避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段建造房屋，不用震陷土作天然地基，遠離河岸，宜選擇開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻中硬土場地。高層建筑地基選取不當會影響高層建筑抗震能力。

2.2結構體系與材料問題

建筑物所用材料和結構體系逐漸被重視，其選擇對于抗震有重要意義。鋼筋混凝土建筑結構在變形控制過程中要考慮混凝土的位移限制，鋼筋混凝土的彎曲變形側移較大，如利用鋼框架減少位移又會增加鋼筋負荷，輔助效果也不明顯，所以結構模式要避免負面作用產生，慎重選擇。

2.3建筑物高度問題

高層建筑需要有合理的建設高度，在這種高度下抗震設計才會穩定安全，但是在高層建筑越來越多的今天，超過國家高度要求的高層建筑日益增多，相對應的，符合國家標準的抗震設計規范很可能不再適用，超高層建筑理論經驗總結的不足使建筑結構在地震中的表現具備更多不確定性，當遇到震力時，地震的破壞力可能會被放大，造成生命財產損失。

表1.房屋適用的最大高度（m）

3高層混凝土建筑結構抗震設計探討

針對以上問題，通過對問題和影響因素進行分析，探討高層混凝土建筑結構抗震設計。

3.1場地與地基選擇

場地與地基的選擇對高層建筑抗震能力有直接影響，要保證建筑地基基礎選擇的科學性，在選擇場地時，應充分了解當地情況，對地質進行勘察，資料收集與綜合評價，評估抗震設計等級，規避不利場地，軟性地基。在高層建筑地基選擇應盡可能選擇具有較高密實度的基土，提高地基抗震能力，抗震要求不達標的地基應采取加固或改造措施，應盡量使建筑物場地建在基巖或薄土層或具有較大平均剪切波速的堅硬場地土上，以減少地震能量輸入建筑物，減輕地震對建筑物的破壞作用。場地土剛度大小與覆蓋層厚度影響建筑物震害，土質越軟，覆蓋層越厚建筑物震害越嚴重。

3.2建筑物結構、外形與尺寸選擇

建筑物結構、外形及尺寸影響建筑抗震性能。在高層建筑平面設計中要注意提高建筑防震性能，高層建筑是一個豎向懸臂結構，在高層結構中，水平荷載的影響遠大于垂直荷載，是結構設計的控制因素，結構要有足夠的剛度以使隨高度增加引起的側向變形在結構允許范圍內?，F澆鋼筋砼結構剛度大，空間整體性好，造價低廉，材料來源豐富，適應各類建筑要求，但是結構自重大，抗塑性變形差，當場地土特征周期較短時易發生共振。因此，高層建筑采用鋼筋混凝土結構形式應盡量避免場地土和建筑物發生共振，而使震害更加嚴重。不規則建筑物比普通建筑抗震性低，所以在具有不規則外形的建筑結構設計應采取一定的防護措施。高層建筑高度，自重與地震危害程度成正比，要對當地地址情況合理評估，合理設計建筑高度，以應對可能發生的地震災害。

3.3建筑結構材料的選取

建筑抗震性能在很大程度上取決于抗震材料，高層結構抗震設計就是對建筑構件延性進行整體協調與把握，力求在地震中的能夠保持穩定。要對材料質量進行嚴格把關，選擇優質合格的抗震材料，確?？拐鹗┕べ|量。在鋼筋的使用上應盡可能選擇韌性高的產品。建筑的質量會影響地震的效應，如果建筑層數過多，在地震的作用下坍塌的危險就會增加。為緩解這一現象，可以采用輕質材料減輕結構自重。輕型材料的應用還可以合理增加建筑層數，進一步的控制成本。最后，要兼顧建筑成本與造價控制，用較少的材料達到最佳的抗震效果。

3.4平面布置

平面布置是在建筑設計平面圖上將柱和墻的位置及對樓蓋具有的傳力作用進行合理的設置。從建筑的抗震性能來看，關鍵在于盡量將建筑結構平面剛度中心與質量中心相靠近或重合，以此降低地震力對建筑的破壞力。為了減輕建筑自重，在設計時應盡量避免平面不規則結構出現，以結構的平面規則、對稱為宜。結構的剛度在豎向上要保持均勻，盡量選用較為規則的豎向結構設計，平面上的變化少做。在安全規定內設計結構的高度和寬度，并且需限制兩者的比值，以使結構有較好的整體剛度和穩定性。

表2.平面不規則類型

圖1.建筑平面

表3.豎向不規則類型

圖2.結構豎向收進和外挑示意

3.5隔震和消能減震設計

場地和地基應盡可能選擇密實度較高的地基，能夠有效減少地震能量對建筑的破壞，減少共振發生可能。根據實際需要設計建筑的隔震系數，選擇相應的隔震支座，同時考慮風力對建筑所產生的載荷。我國許多高層建筑時多采用延性結構進行抗震設計，適當控制建筑結構剛度，從而消耗地震作用能量，減弱地震給建筑帶來的破壞。如高層建筑有較高的延性，因為延性構件可以吸收較多的能量，即使承載能力較小，也可以經受住很大的結構變形，在地震中不容易倒塌，使結構物“裂而不倒”。

圖3.隔振支座

3.6加固設計

根據實際情況采取相應加固措施可以有效提高建筑結構抗震能力，選擇加固方法應考慮以下幾方面：結構設計存在缺陷，應根據實際情況增加構件加固，或采取更高抗震能力構件替代原有構件；需要提高承載力或結構整體剛度，可以增設構件，擴大原有截面，設置套箍等；建筑結構整體性連接抗震性能不達標，可以對結構進行相應調整，分散地震力，減少破壞；建筑中與結構不相關的構件有可能在地震時倒塌而造成危害的應該適當進行加固。

3.7設置多道抗震防線

圖4.框架-剪力墻結構

為增強高層建筑結構對地震的抵抗力，避免因部分結構或構件遭到破壞而導致整個體系崩潰，可以設置多道抗震防線。第一道防線遭到破壞，有后備的更多道防線阻擋地震作用力，避免高層建筑物的倒塌?？拐鸾Y構體系由若干個延性良好的分體系組成，由延性較好的結構構件連接。一般第一道抗震防線的抗側力構件優先選擇不負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選用軸壓比不太大、延性較好的抗震墻等?？蚣芗袅哂卸嗟婪谰€抗震結構，剪力墻作為第一道抗震防線，也是主要抗側力構件。為保證承受能力較高，剪力墻要足夠多。同時，為承受剪力墻開裂后剩余的地震作用，任一層框架部分地震剪力按框架和墻協同工作分配不應小于結構底部總剪力的兩成與框架各層剪力最大值的1.5倍中兩者的較小數值。

結束語

高層混凝土結構建筑物的抗震設計是衡量建筑結構設計的重要指標。高層建筑結構抗震設計方法和技術的不斷變化與進步要求我們在實踐中全面考慮各項因素，選用適合的抗震結構，注重材料選擇，減小地震作用力，增強地震抵抗力，熟練的掌握和運用抗震概念設計，從而建造出更多精品高層建筑工程，為社會造福。

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