高層建筑結構抗震設計探索

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【摘要】闡述了高層建筑結構抗震設計的基本理論，分析了影響高層建筑結構抗震效果的主要因素，從地質勘察、地基處理、結構體系、平面布置、空間優化、材料選用、薄弱層處理、抗震驗算、隔震技術、消能減震技術等方面出發，研究了高層建筑結構抗震設計的優化措施。

【關鍵詞】高層建筑；建筑結構；抗震設計；優化措施

1引言

在諸多自然災害中，地震對人類的影響尤為明顯。震級越高，釋放能量越大，產生的破壞程度越強。隨著建筑高度的不斷增加，其抗震性能越來越受到考驗，必須引起人們足夠的重視。在以往的抗震設計中，存在著一些難以解決的問題，需要加強理論研究和實踐探索，積極挖掘新技術、新方法，不斷完善高層建筑結構的抗震體系。

2高層建筑結構抗震設計概述

2.1地震作用

地震是一種自然現象，幾乎每天都會發生，只不過大多震感不明顯。我國位于兩大地震帶之間，是一個典型的地震多發國家，具有活動頻率高、分布廣、震源淺、強度大等特點，唐山大地震和汶川地震造成了大量的房屋坍塌和生命損傷，給人們造成的創傷至今無法撫平，因此，提高建筑抗震能力具有重要的現實意義。圖1為震后高層建筑受損圖。圖1震后高層建筑受損圖

2.2抗震設計理論

現階段，抗震設防可以分為多遇地震、設防地震、罕遇地震3個水準點。常規的建筑結構抗震設計普遍遵循小震不壞、中震可修、大震不倒的思想理念，通常情況下，需要進行多遇地震下的彈性分析和罕遇地震下的彈塑性分析。同時，還應該包括設防地震下的中震分析。“三水準抗震設防”思想存在一定的局限性，沒有進行定量規定，而且不能有效控制非結構構件，一旦地震發生，導致非結構構件喪失功能，可能會產生不可預估的損失。隨著理論研究的不斷推進，以及人們對建筑抗震期望值的不斷增加，越來越多的抗震設計理論得以發展應用[1]。

3影響高層建筑結構抗震效果的主要因素

3.1選址問題

地震烈度是指某一地區的地面和建筑物遭受一次地震破壞的程度，不同地區的地震烈度不同，直接影響著高層建筑結構的抗震效果，而且場地內的地質條件、水文條件、地形地貌都會影響建筑場地的抗震能力。通常情況下，抗震設計采用基本烈度作為依據，然后根據建筑重要性、抗震性以及地質條件，結合場地烈度，對基本烈度進行調整，作為最終的設計烈度，所以，地質勘察、選址工作至關重要，直接決定了高層建筑的抗震效果和工程建設的經濟性。

3.2建筑高度

一般情況下，建筑高度越高，建筑重心越高，穩定性越差。我國相關部門已經對建筑高度和結構體系進行了相關規定，在設計時，必須滿足相應的設防烈度要求，嚴格按照規范執行。然而，隨著經濟水平的不斷提升，高層建筑受到了市場的追捧，許多建筑存在著超高超限的問題，產生了一些不確定性因素，如果沒有得到充分的設計論證，一旦發生地震作用，很容易產生形變破壞，甚至出現嚴重的安全事故，造成經濟損失和人員傷亡[2]。

3.3建筑材料

建筑材料是建筑實體的基本組成部分，直接決定著建筑結構質量，不同材料有不同的性能，可以構成不同的結構體系。比如，鋼結構具有自重輕、強度高、整體剛性好、抗震性能好、變形能力強等諸多優點，適于建造大跨度以及超高、超重型建筑，而型鋼混凝土組合結構既具有鋼結構的優勢，又增加了混凝土結構的特點。所以，高層建筑結構抗震設計應該根據需求，盡可能使用抗震性能好的材料和結構形式，質量輕、強度高的建筑材料更有利于提升建筑抗震效果。

4高層建筑結構抗震設計優化措施研究

4.1做好地質勘察和地基處理工作

在工程選址時，除了注重地震烈度，必須加強地質勘察工作，詳細了解影響場地抗震效果的各種因素，包括巖體的結構、力學特性、工程地質性質以及地下水的類型和分布，地質勘察是分階段進行的，必須根據不同階段的勘察要求，嚴格把控工作質量，保證勘察資料的完整性和準確性，為高層建筑結構抗震設計奠定良好的基礎。根據現場地質條件，有針對性地制訂地基處理方案，尤其要注意松散軟弱土層、風化破碎巖層、斷層、泥化軟弱夾層、巖溶、土洞等特殊地質，著重提高地基承載力和穩定性，減少不良地質條件對工程建設的影響。根據地質條件和地基處理情況，選擇合適的基礎類型，常見的基礎類型包括獨立基礎、條形基礎、筏形基礎、箱形基礎、樁基礎，在地基處理困難或者不經濟時，通常可以采用樁基礎，能夠跨越一定范圍的不良地質，從而為上部建筑提供有力支撐[3]。

4.2選擇合適的結構體系

根據建筑承重結構材料劃分，適用于高層建筑的結構體系包括鋼筋混凝土結構、鋼結構、型鋼混凝土組合結構，其中，后兩者由于鋼材的優越性能，具有抗震性能好、變形能力強的優點。根據承重體系劃分，適用于高層建筑的結構體系包括框架結構、剪力墻結構、框剪結構、筒體結構。其中，框架結構平面布置靈活，但側向剛度較小，容易產生非結構性構件損壞；剪力墻結構側向剛度大，但平面布置不夠靈活；框剪結構集合了框架結構與剪力墻結構的優點；而筒體結構是抵抗水平荷載最有效的結構體系，適用于高度較高的建筑。在抗震設計時，應該充分考慮不同結構體系的抗震性能，根據實際情況，合理設置多道防線，提高建筑結構的安全性能。

4.3優化建筑平面和空間設計

柱子、墻體等主要受力結構的平面布置和空間設計，也直接影響著高層建筑結構的抗震性能，在設計時，應該充分考慮工程特點、施工技術、現場條件等綜合因素，盡可能使結構平面和空間布置相對簡單，同時，注意分布的合理性，使各部分結構受力均勻，減少薄弱部位的出現。通常情況下，建筑結構的質量中心需要與剛度重心相吻合，在設計豎向結構時，應該適當降低剛度重心，控制豎向結構的錯向頻率，保證豎向位置平衡。另外，合理設置構造柱，可以豎向加強墻體連接，增強建筑物承受地震作用的能力，防震縫的設計也至關重要，一般從基礎頂面開始設置，根據建筑高度和抗震烈度，嚴格控制縫寬[4]。

4.4注重建筑材料的選擇應用

相對而言，結構尺寸越小，建筑自重越輕，在遭受地震波沖擊時，產生的破壞性越小，但這需要以提高材料性能為保障，在縮小構件尺寸的同時，能夠提供同樣的承載力，比如，使用高強混凝土，提高鋼筋強度等級，設置構造鋼筋和抗扭鋼筋，等等。隨著工程行業的持續繁榮，建筑材料市場也得到了快速發展，許多新材料如雨后春筍般涌現，設計人員應該及時掌握市場變化，了解各種材料的優越性能，科學研判其抗震能力，積極運用到高層建筑結構抗震設計上來，盡量選擇質量好、質量小、強度高的復合型材料，能夠應對各種復雜狀況，達到減輕建筑自重、抵御地震災害的目的。

4.5結構薄弱層的加強處理

高層建筑結構的側向剛度分布不均勻，豎向抗側力構件不連續，再加上樓層承載力突變，很容易出現薄弱層，當發生地震時，這些薄弱部位首先會遭到破壞。所以，必須針對薄弱層進行抗震加強設計，優化結構構件的抗震性能，達到局部增強的效果，減少變形問題的出現，設計人員應該提高重視程度，采用科學的處理方法，保證建筑結構的整體性[5]。

4.6做好截面抗震驗算工作

為了保證高層建筑結構截面抗震效果，必須做好驗算工作，注重非抗震承載力設計值的選用，緊密聯系承載力抗震調整系數，保證截面抗震驗算的科學性和準確性。充分利用現代信息技術，在網絡和計算機的支持下，應用先進軟件工具，提高驗算質量和效率，提升設計內涵，確保設計目標的順利實現。

4.7隔震技術的有效應用

應用隔震技術，能夠有效延長高層建筑結構自身震動的周期，從而降低地震造成的破壞程度。隔震層的設計至關重要，利用隔震裝置，可以將高層建筑的上部結構和下部結構分割開來，在地震作用下，隔振系統能夠化解較多能量，上部結構做緩慢平動，這需要隔震裝置具有強大的承載能力，因此，必須保證使用高性能材料，而且為了延長使用壽命，還應該做好保護設計，避免隔震裝置失效。為了提高高層建筑結構的抗震能力，可以在頂樓設置反擺隔震層，如果發生地震，反擺隔震層能夠產生反方向阻力，緩解地震波的沖擊，隔震層的位置選擇以及隔震裝置的質量標準，都是隔震技術的應用要點，需要設計人員著重把控。圖2為隔震技術示意圖。

4.8消能減震技術的應用

消能減震技術在高層建筑結構抗震設計中的應用，主要是將某些非承重結構構件設計成消能構件，或者在某些節點安裝耗能裝置，如阻尼器等，在發生小地震時，消能裝置處于彈性狀態，高層建筑結構具有足夠的側向剛度，能夠滿足正常使用需求，當發生中強地震時，隨著結構變形和受力的不斷增加，消能裝置進入非彈性變形狀態，這時會產生較大的阻尼，能夠消耗地震產生的能量，并快速衰減結構的地震反應，防止主體結構產生明顯破壞。消能減震技術是以犧牲消能構件為代價保護主體結構，在地震結束后，可以修復、更換消能構件，使高層建筑恢復到正常使用狀態，這與傳統抗震體系相比，體現了較強的實用性和靈活性，最重要的是抗震效果更佳，消能減震技術成為減少地震災難的有效技術[6]。

5結語

綜上所述，抗震設計是高層建筑結構設計的重點內容，直接影響著高層建筑的安全性和穩定性。隨著經濟社會的不斷發展，高層建筑越來越多，成為城市靚麗的風景線，然而，高層建筑容易受到地震沖擊波的影響，可能會產生嚴重的損失。本文針對高層建筑結構抗震設計優化措施進行研究，在明確抗震設計理論的基礎上，分析了有效的應對方法，希望能夠起到積極的現實意義，提升高層建筑結構抗震設計水平，在發生地震災害時，能夠有效減少損失，保證生命財產安全。

【參考文獻】

[1]盧一麟,尹鳳霞,郭獻洲.超限高層建筑結構抗震設計加強措施和建議:以某超限高層建筑為例[J].地震工程學報,2018,40(6):1252-1258.

[2]李子懿,肖從真,李建輝,等.復雜高層建筑結構抗震設計方法研究現狀與展望[J].建筑科學,2019,35(9):120-125.

[3]邵李娜,華全慶.高層建筑結構抗震設計存在的問題及其對策[J].工程建設與設計,2019(22):24-25.

[4]肖從真,王翠坤,黃小坤.高層建筑結構抗震設計方法及結構體系創新[J].建筑科學,2018,34(9):33-41.

[5]張建新,李輝,孫柏濤.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].世界地震工程,2016,32(1):94-97.

[6]魏璉,王森.中國建筑結構抗震設計方法發展及若干問題分析[J].建筑結構,2017,47(1):1-9.

作者：王斌斌 單位：安徽電信規劃設計有限責任公司