高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略研究

張麗英 菏澤市排水服務中心

1 前言

經濟的不斷發展帶來了我國建筑結構的不斷升級，人們對高層混凝土建筑抗震性的需求越來越大，如何進行抗震結構設計已經成為擺在領域從業者面前的重難點問題。本文對有關問題進行了分析，將地震結構設計與具體實踐相結合，從而為相應問題的解決提供了一定建議。地震對高層混凝土建筑的破壞可分為四大方向，地基破壞、結構體系破壞、剛度破壞、構件破壞。若建筑整體處于柔弱土層上，則易發生地基破壞，這是由于地震中土體液化會導致基礎沉降的發生，致使高層混凝土建筑上部出現傾斜、地基發生不均勻沉降現象，同時使建筑物產生裂縫。而結構自身的結構周期與場地周期相一致時更會發生共振效應，導致更為嚴重的結構破壞狀況發生。

2 高層混凝土建筑抗震結構設計的主要原則

2.1 建筑結構合理性原則

在實際建設過程中，設計人員需要有效結合目前建筑物的真實情況，選擇較為合理的構建方式。一般來說，設計人員在確定整體結構之后，采用系統化的方法分析結構。不同的建筑物之間存在差異，建筑物的構件也會存在一定的差異，但是在實際選擇過程中，設計人員必須按照結構合理性原則來選擇。建筑物自身能夠對一部分剛度較差的梁體結構起到穩定支撐作用，部分需要承受豎向荷載的構件不能轉變為耗能構件，這是因為豎向結構十分脆弱，容易產生受力不均勻的情況，當發生地震時，部分位置容易坍塌。

因此，所有構件都應該具有很強的延性，設計人員不僅要考慮工程近況，還要充分考慮工程后續發展情況。

2.2 建筑環節不同的抗震防線原則

在高層混凝土建筑中，對于抗震防線而言，設計人員在不同的工程環節中需要進行不同的工程設計與資源配置。對高層建筑工程進行分級，在比較脆弱的位置設計多個抗震防線，這樣即使發生地震，也會有效防止連帶問題。如果只是單一地設置一道防線，一旦發生余震，就有可能導致災情的進一步惡化。構件之間的強弱關系也可以視作彈性變化的有效關系，在主體構件遭受一定的沖擊之后，第一道防線就會被完全突破，由于后面防線與第一道防線存在一定的受力距離，因此第一道防線不會直接對第二道防線造成影響，有效保證了建筑物的安全性。

2.3 建筑不同部位的抗震設計原則

對于一些具有強弱關系、距離過大的位置，設計人員需要合理應用不同的抗震設計結構。相關設計人員必須在開展結構設計工作之前，進行受力試驗，充分考慮并結合每個構件的承載能力，準確判斷局部構件的承載能力是否符合荷載要求。但是，除了局部構件的穩定性需要再次確定以外，整體構件的穩定性不能因為局部構件的穩定性增強后而受到忽視。簡單來說，局部構件的受力效果、剛性程度、承載力的協調狀況都需要根據構件形式的不同進行適度調整。另外，需要有效保證局部構件受力均勻，不能因為某個部位承載力較弱，就減小此部位的強度，這會增加其他部位的荷載，當發生地震時，就會影響整個建筑物的穩定性。

3 建筑抗震概念設計概述和意義

建筑結構設計一般會從計算設計和概念設計兩個方面展開。建筑結構設計需要在完善信息和數據的基礎上進行結構的搭建，但是因為地震的發生有不可預測性，在實際的建筑設計中不能通過準確計算來設計建筑的具體抗震等級，所以在設計的過程中一般會引用模擬地震情況統計出相關的參數，從而實現對建筑結構的科學計算，得到對應的抗震結構，保證建筑的抗震等級。

目前，我國在抗震建筑設計層面展開了多年的研究，取得了較大的進步，有效降低了地震的危害，保護了人民的生命和財產安全。但是對地震規律的把握還不是很完善，還需要大力研究建筑工程結構的抗震效果，各地區也應該結合自己本地的地質情況作出相應的建筑抗震標準。人們對建筑結構抗震的要求越來越高，對于建筑設計師來說，怎樣提升建筑結構的抗震級別成為重要的研究課題。因此加大抗震研究的經費投入，讓建筑設計者有更好的研究環境，對于促進建筑的抗震能力發展十分必要。

4 高層混凝土抗震結構設計的優化實踐

4.1 優化高層混凝土建筑抗震結構設計

高層混凝土建筑結構設計過程中，優化抗震結構在對工程造價產生影響的同時能夠有效強化抗震效果，設計開展過程中需綜合高層混凝土建筑的功能要求、使用指標，在嚴格規范制度的前提下踐行目標。優化過程中有多種結構類型可供選擇，如剪力墻、框架結構等，在結構類型選擇的實踐過程中，需綜合社會效應、工程造價的基本要素，融合經濟學考量、美學欣賞的設計要素，選擇與建筑類型及要求相適宜的抗震結構體系。優化工作需從規劃設計著手展開，這首先要求混凝土高層建筑平面結構設計得干凈、對稱、整齊，其次應在定量分析基礎上對混凝土結構抗震性能展開體系研究，從而對其整體性能進行明確，并通過對結構特征、剪力墻方案、布置方法的確定，實現高層混凝土建筑抗震結構的優化。例如，對抗震結構的基礎結構進行設計優化時，應從以下幾方面著手。

首先，要做到相同結構單元在性質一致基礎上的有效布置，這要求在面對新填土、液化土、橡皮土等具有不均勻承載力的土層時，應采用一定措施使基礎結構的整體性及剛性得到有效提升。如以基礎結構的整體性為例，可以通過鋼筋混凝土圈梁、調整構造柱的方式，不僅可以抵抗基礎不均勻沉降引起墻體內產生的拉應力，同時還可以增加房屋結構的整體性，防止因振動產生的不利影響，并且在設置圈梁時，還需要連續地設在同一水平面上，并形成封閉狀，從而提升基礎結構的整體性。不僅如此，還可以把可用沉降縫在適當部位將房屋分成若干剛度較好的單元，把沉降縫的基礎分開，并在房屋四角設鋼筋混凝土構造柱，并且從柱里抽出水平鋼筋與磚墻拉結，以確保地基能夠有效承載。

其次，在設計過程中，要合理運用底框結構，雖然這一結構兼具經濟及實用性，但這一結構剛度分布不均勻，易出現頭重腳輕等情況。使得地震發生時建筑整體易發生不均勻變形，其抗扭性能并不能達到設定標準，故而使得房屋裂縫及倒塌情況更易發生。因此地震發生較為頻繁的區域不宜運用該結構，或即便運用也應輔以其他結構設計，以確?？蚣芙Y構上下剛度的協調均勻。

第三，抗震建筑的整體結構設計作為建筑建造的第一步，其完備性、系統性、功能性程度決定著建筑抗震性能的底色。故而設計過程中設計人員應全面勘察了解高層混凝土建筑的施工情況，包括具體施工工藝、應用材料、預期建設位置、地質地貌等要素，并形成調研報告，以此明確設計過程中的重要節點，在提升高層混凝土建筑抗震性的同時，實現主體建筑與客觀環境的協調性和一致性，因地制宜地開展設計工作。

最后，設計團隊應搭建起抗震結構設計的數據庫，記錄地震中發生損害的有關建筑，并比照其原本結構進行地震損害方式、結構塌陷過程的逆向還原，以此為后續抗震建筑的設計提供有益參考與啟發。在實際構建數據庫的過程中，主要通過三維成像技術，構建虛擬的數據模型，在滿足全面觀察的同時，還可以結合演示模式，模擬演示建筑在地震中的實際情況，有效加強設計的針對性和有效性。盡量實現科學合理的力學模型搭建，進而充分利用主拉應力、剪摩理論，搭建盡可能合理的抗震結構。

4.2 充分了解周邊環境，因地制宜展開設計

高層混凝土建筑的設計建造過程中，應將對地震等有關自然災害的預防囊括在結構設計過程中。故而，合理選擇建筑位置，能夠顯著提高相關結構的抗震能力。位置的選擇應依托于相應科學理論，并在對備選位置周邊地形、地貌進行廣泛勘探后，挑選適合位置后開展工程建設。這期間應注意高層混凝土建筑周邊不應出現變電站、發電廠等安全不穩定因素，并盡量將位置選擇在平緩地帶，避開山坡、沼澤等不利于抗震的地點。

結構設計方案的制定應在國家有關標準體系框架內，而實際施工過程中的結構自身應具備一定的空間調節能力。以確保外力影響下結構建筑結構具備一定的結構延伸能力，具有依托記憶形狀恢復至先前形狀的能力。這一做法能夠有效增強結構的抗震性能，并以這一延展性方案延長建筑的耐久性。同時評估建筑整體重力是否均勻分布，評估過程需遵循重力均勻對稱的分布原則，利用合理的檢測設備和技術，全面評估和了解建筑的整體重力，從而為后續設計提供基礎與前提，有效提升高層建筑的抗震性。

在評估結果參考，針對重力分布不均勻的前提，通過依照地形地質特點實時調整建筑的重力分布，從而有效捕捉建筑重力的變化規律，引導其中的不規則力，以有效提升建筑整體抗震能力。地震發生時由于其地質表層產生的應力呈現不均勻分布態勢，故而作用于地基時這類不規則力會對地基構型產生扭轉撕裂作用，并向上傳導使得建筑整體發生扭曲變形，進而導致建筑坍塌情況的發生。

4.3 科學設計地下室外墻

建筑結構設計時需要考慮建筑實施區域的情況。面臨各種實際情況下，都要從建筑質量性能、建筑安全可靠性等原則出發，通過適當增加和改善建筑結構來應對不同的施工挑戰。地下室是建筑結構中十分重要的結構和功能區域，它不僅能增強建筑的穩定性和防水性，而且可以作為建筑的重要功能區域。地下室外墻設計要考慮到建筑承重和防水等要求，在建筑結構設計中要優化處理地下室外墻的厚度、材料等細節。

地下室外墻厚度應與建筑的整體結構規模相匹配，如超高層建筑地下室外墻厚度應比普通高層地下室外墻厚度適當增加。在建筑地質結構中如果為軟土土層條件，在設計方案中也應考慮增加外墻厚度，以增強建筑結構的穩固性。在建筑區域存在較高的地下水位時，地下室外墻結構設計應采用防水防滲、隔潮的材料進行地下室結構施工。建筑結構設計應做好各種數據標記，地下室結構尺寸和距離應綜合考慮建筑規模和建筑結構的特點，并從抗震等細節方面著手，通過合理的設計提高建筑物的抗震等級。上述是建筑結構設計中需要細化考慮和實踐的內容，也是對建筑結構設計能力的一種考驗。

4.4 抗震性能分析與設計措施

根據（建質〔2015〕67 號）《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的規定，需進行結構高度、一般不規則性、特別不規則抗震超限檢查。綜合三項超限檢查結果。

（1）參照GB 50011—2010 第5.1.2 條，采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。采用時程分析法時，根據建筑場地類別選用2 組實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線，保證所選時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符；彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。樓層地震剪力取時程計算所得最大值與振型分解反應譜法計算結果進行包絡設計，保證各構件滿足多遇地震彈性要求。

（2）采用PKPM軟件進行罕遇地震靜力彈塑性時程分析，檢查構件和整體結構的損傷情況，對重要和薄弱部位提出加強措施。

（3）科學設計結構抗震體系，設置多道抗震防線。在高層住宅建筑結構設計過程中，應當科學設計結構抗震體系，應當將安全性放在首位，要保障高層住宅建筑結構的穩定性。為提高抗震體系設計水平，需基于高層住宅建筑所在區域的特征，以及該區域地震災害的發生概率，制定適宜的設計方案，與此同時還需要考慮經濟性，盡量在預期成本資金投入范圍內完成。如若條件允許，可以于高層住宅頂層中鋪設橡膠層，其能夠有效緩沖地震災害引發的外部沖擊力，減輕高層住宅建筑所要面對的外力，使之承受力得到大大提升，取得較好的抗震效果，維護居民的生命財產安全。要根據高層住宅建筑結構的實際情況，設置多道抗震防線，盡量提高結構的抗震性。需要將抗震體系當作是一個整體，選擇具有一定延性的、優質的構件，將其作為高層住宅建筑結構抗震的第一道防線，每一個構件都需要有一定的自我保護能力，等到第一道抗震防線屈服后，后面的防線才會屈服。如若地震等級比較大，其外部沖擊力機會增大，具有較強的破壞性，當地震防線被沖破后，還有多道防線能夠對高層住宅建筑結構進行保護，以避免其受到嚴重損壞。

5 結束語

綜上所述，對高層住宅建筑結構設計的過程中，首先應針對抗震展開設計，綜合考慮建筑結構構件的穩定性、承載能力，以及剛度等建筑性能，并對于結構中相對薄弱的部位進一步加強抗震措施。使建筑結構形成一個完整的抗震結構體系，從而達到高層住宅建筑良好的抗震效果。只有建筑物的整體抗震能力達到標準，才能夠抵抗地震災害。