高层混凝土建筑抗震结构设计探析

姚冬晖

【摘要】随着现代化城市建设的逐渐深入，高层超高层建筑工程越来越多，但是由于地震的频频发生，高层混凝土建筑抗震结构的设计显得尤为重要，加之，高层建筑的高度较高，对于施工技术和施工要求也相对较高，因此，高层混凝土建筑抗震结构的设计是高层建筑规划的一个重要内容。本文将主要讲述一下高层建筑的特点，高层混凝土建筑抗震结构设计的要求，高层建筑抗震设计中的一些需要改进的地方以及应该采取的正确措施。

【关键词】高层建筑；混凝土；抗震结构设计

引言

随着我国建筑行业的发展，高层建筑已经逐渐成为建筑行业的主要发展趋势，但是地质灾害的频繁发生，不得不让人们对施工难度本来就相对复杂的高层建筑又提出了更高的要求。高层混凝土建筑结构经过精密的设计以后，应用于高层建筑，可以有效的预防地质灾害带来的伤害，而高层混凝土建筑抗震结构的设计需要结合建筑的实际情况，进行全方位的分析、规划、设计，从而达到有效抗震的效果。

一、高层建筑的主要特点

高层建筑的规模普遍较大，需要花费巨大的成本，施工周期较长，其质量和施工材料，施工技术和建设周期有着非常密切的关系。建筑结构是一个竖向悬臂结构所产生的轴向力和其高度存在一种线性比例关系；水平荷载可以使建筑结构发生弯矩。受力方向如果不变，竖直方向的受力会随着建筑高度的增加而增加。但是，竖直方向的受力情况和侧移的关系并不大，当水平方向的荷载发生变化时，侧移和高度是四次方的变化关系，由此可见，水平的荷载才是引起高层建筑侧移的主要因素。水平荷载结构的设计因素、结构的抵抗力水平、结构的刚度要求，以及对于高度的要求都是高层混凝土建筑抗震结构设计过程应该充分考虑的因素。

二、地震对高层建筑的破坏特点

（一）对地基的破坏

对于处于土质较软的高层建筑来说，建筑结构的稳定性就相对较差，因为土质的松软最终会引起建筑结构的倾斜，导致建筑的破坏，建筑物越高，就越容易受到地基的影响。遭遇地震就更容易对建筑结构产生一定的影响，尤其在危险地段修建的高层建筑物，地震时，建筑基础就会出现沉降不均匀的现象，导致建筑物出现严重的裂缝，一旦建筑物的震动和地下震源的震动周期形成共振，将对建筑物形成加倍的破坏力。

（二）对建筑刚度的破坏

建筑的主体结构的平面大都是矩形平面，如果电梯井的中心发生偏移，则更容易受到地震中扭转震动的影响，加重地震的破坏程度，同样，如果平面形势的对称性不强，也同样会受到扭转震动的严重影响。

（三）对建筑构件的破坏

框架剪力墙结构的建筑，柱子往往受到的破坏程度较大，剪力墙的窗台下部往往容易出现裂缝，但是，由于框架柱设置了螺旋箍筋，建筑楼层间的位移角相对较大，具有更强的抗震能力。

（四）对结构体系的破坏特点

对于框架填墙的高层混凝土建筑结构，建筑平面的内框架柱上在地震中较容易发生剪切型破坏，窗洞部分也会因为墙体的下降受到一定的破坏。因为建筑底层的刚度较低，而且还是敞开式，一旦受到地震，底框结构就会受到严重影响。

三、高层混凝土建筑抗震结构的设计要求

（一）对建筑主体结构基础的设计

建筑工程的基础结构设计的科学性，决定了建筑质量的好坏，是高层建筑结构的根本。针对土质较软，承载力有差别的土层结构时，要注意通过采取恰当的措施来使基础结构的强度能够更强，保证地基有足够的承载力。地框结构实用性强，经济性好，适用范围广泛，但其刚度分配不均匀，头重脚轻，容易出现因为受力不均匀引起的变形，甚至可能引起房屋断裂，因此，设计人员要慎重选择这种建筑结构，设计人员也可以通过确保上下受力一致均匀的刚度，使抗震的效果更加明显。

（二）多種抗震计算方法想结合的方法

在高层混凝土建筑设计时，将主题的结构变形量控制在一定的范围内，确保地震过程中不会发生变形，必须正确计算抗震结构的位移，定量分析结构设计方案。计算结构主体的承载力时，要时刻关注地震情况下曾建位移角和延性位移，获得主要构件的变形数值，明确构件的合理构造要求，同时，还要确保建筑场地条件良好，降低地震所输入的地震能量，有效地减少地震对高层建筑的怕破坏程度。

（三）增加抗震防线

不同的相互协调的延性分体系组合成了高层建筑的抗震结构，由于在一般情况下，大地震之后都会伴有余震，如果只是设置一道地震防线，将不能很好的抵御余震给建筑结构带来的巨大伤害，甚至可能出现建筑物的倒塌现象，所以要想有效的抵御地震带来的各种伤害，就需要多种抗震设防体系，保证主体结构具有加强的延性和抗侧力能力。在建筑的抗震设计时，必须反复权衡施工中的以大带小的与个别抗侧力部件的配筋率提高等设计行为，尽量避免出现某一结构构件的抗侧移值太大的现象发生。

（四）抗震加固设计

一般情况下，高层建筑都必须明确设防抗震的要求，高层建筑不但要满足刚度和延性的要求，对于强度的要求也相对较高。由于高层建筑自身比重较大，竖直方向的受力程度和建筑物的高度城下一定的线性关系，层高一定的情况下，就要充分考虑构件的延性，延性是有一定的限制的，在遇上剧烈地震的时候，剪切破坏最终会导致建筑物的倒塌，为了最大限度的避免该悲剧的发生，就需要对建筑物的抗震性能加固设计。抗震加固设计要从两方面进行设计，一个是螺旋复合箍筋的选用，另一个是分体柱的选用。螺旋复合箍筋可以有效提高柱子的冲剪力，有效提高短柱的抗震性能，分体柱虽然不能很好的增强柱子的抗剪性能，但是能有效的提高柱子的抗变形能力，实现短柱向长柱转变的能力，从而提高短柱的抗震能力。

四、高层建筑抗震设计中存在的若干问题

（一）部分建筑物高度过高

根据我国相关技术规程的规定，高层混凝建筑结构的高度都有一定的要求，对于不同结构的设计对应着不同的高度要求。然而，在实际的工作过程中，许多的高层建筑的企业并没有严格的按照规定的标准进行执行。一旦发生地震，将会导致建筑物的受力过度，抗震能力大大减弱，加上外界其他因素的综合作用，将给这种产高层建筑带来灭顶之灾，使得一切都要从头开始，之前一切的努力都是徒劳。

（二）地基选择不恰当

对于高层建筑的选址要有严格的要求，不横跨于两种土壤之上，远离河岸，远离地势危险区域，远离地震过后的危险的土壤，远离地震高发区等等，只有经过了严格的选取建筑物的地址，才能为高层建筑物的防震抗震能力打下良好的基础，选址不当，不仅对地震缺乏必要的抵抗能力，还有可能发生自然倾斜倒坍现象，缺乏必要的安全可靠保障。然而，随着城市人口的急剧增加，建筑的需求量不断上升，建筑用地在急剧减少，许多开发商往往并不重视对高层建筑的选址问题，一般都是根据商业价值的大小进行选址，这样，就必将增加高层建筑的风险，降低其抗震防震的能力。

（三）材料组成不合理

对于分布在地震带的高层建筑，其材料的选取有着至关重要的作用，不同的材料要进行合理的搭配，以保证建筑物的抗震减震能力。我国主要依靠钢筋混凝土结构的位移值为依据，以钢筋混凝土核心筒为公用设计，但这种结够存在有一定的缺陷，建筑弯曲变形侧移的幅度较大，仅仅依靠较小的钢框架处理，不仅增加了钢结构的负担，也使抗震的效果大大降低，需要进一步增强混凝土结构的刚度，改良设置伸臂的结构，构筑加强层以达到预期的效果。

（四）抗震设防强度不够

由于我国现在的抗震设防标准过低，过低的抗震放射标准使得我国的高层建筑的抗震防震的水平远远落后于国外的发达国家，现在我国的建筑抗震的标准早已不能满足我国对于社会发展的要求，建筑结构的设计较发达国家相比，仍有较多的而发展空间，建筑结构的安全设计仍然需要不断的提升、改进。

五、改善高层混凝土建筑抗震结构设计的有效方案

（一）场地和地基的选择

作为建筑结构设计的基础，地基的情况和场地的状况对于高层建筑的抗震状况起着决定性作用。一定要在了解当地的地震活动状况之后，再进行场地和地基的选择，仔细勘察当地的地质状况，全方位的调查数据资料，在进行综合有效的评价和分析之后，进行抗震等级的设计。选择建筑物的地基时，首先选择较高密实度的基土和岩石，可以有效的增强建筑的抗震能力，尽量避免选取土质较软的地方作为地基，如果不可避免的要经过软土地，就要有针对性的采取补救措施，确保其抗震能力的加强。

（二）建筑结构的规则性

建筑结构的规则性有利于达到合理分布承载的力量需要，增强建筑结构的抗震能力。在建筑结构设计时，要尽量使侧力结构可以简单明了，对于建筑结构的平面设置，多采用比较规则的图形，使其在任何情况下都能实现承载力的均匀分布，尽量避免复杂多变的平面结构，引起建筑结构的钢心和质心间的错乱，引起建筑物可抗震性能下降，达不到建筑物的可靠性要求。

（三）合理选择建筑结构材料

高层建筑结构的安全性很大程度上取决于对建筑材料的选取，在建筑材料的选取上，要充分了解建筑材料的抗震要求，整合相应构件的延性。例如钢筋的选取，就要选取那些具备较好韧性的材料。在满足建筑质量要求的前提下，还要结合成本和造价的因素，合理选择建筑材料。因此，建筑材料的选取需要寻求抗震性能和建筑成本的平衡点，力求最少的建筑成本实现最好的抗震效果，确保建筑企业的最大收益，以及监护工程的安全可靠性。

（四）加固设计

将加固措施和建筑结构很好的结合在一起，对建筑结构的抗震能力具有很大的帮助，对于加固的设计需要针对具体的情况具体实施。对于结构设计出现的误差和缺陷，可以通過增加构件和加固构件或者采取高抗震构件的替代品方法来加固建筑结构；可以通过设置套箍，增加构件，增大原截面积的方法对整体的刚度和承载力进行提高；同时，还应有针对性的调整结构，弥补建筑结构整体性连接不满足抗震要求的缺陷，降低地震带来的损害，即使是和建筑结构无关紧要的构件，也要适当的采取加固措施，只有从各个方面都采取加固措施，才能有效的减少地震带来的伤害。

（五）隔震和减震设计

对于具有严格抗震要求的高层建筑，还必须要有消能抗震的效果才能有效防止地震的破坏，高密实度的地基可以减轻地震能量对于建筑物的损害程度，降低共振发生的几率，因此，正确的选择地基和场地，是建筑隔震和防震设计的第一步。不同的建筑物，其隔震系数有所不同，选取适宜的隔震支座，结合力产生的负荷作用进行建筑结构的设计；使用可以效能、隔震、延性较好、强度满足要求的建筑构件，确保建筑物在受震时的破坏力最小。

结语

地震的发生具有一定的随机性和破坏性等特点。给社会带来的损失巨大，高层混凝土建筑抗震结构的设计对于人们的生命财产安全具有重大的意义。结构工程师在规划高层建筑抗震结构时要充分考虑高层建筑结构设计的要求，结合具体的实际情况，合理的规划抗震方案，增强高层混凝土结构的抗震性能，确保高层建筑的安全可靠的特性。

参考文献

[1]查桂华. 对多层高层建筑抗震结构概念设计的几点认识[J]. 马钢职工大学学报，2001，02：27-30.

[2]陈美艳. 浅谈抗震结构在高层混凝土建筑中的设计[J]. 科技与企业，2015，03：145.

[3]李鸥. 浅议高层混凝土建筑抗震结构设计[J]. 价值工程，2015，09：175-176.

[4]陈天华. 高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J]. 中国科技信息，2011，16：42.

[5]陈英鹏. 关于高层混凝土建筑结构的抗震设计探讨[J]. 中国建筑金属结构，2013，06：179.

[6]满国君，付艺璇. 关于高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J]. 河南科技，2013，12：168.