高层混凝土建筑抗震结构设计探析

李银军

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【摘 要】抗震设计是建筑结构设计重要环节，高层建筑结构对抗震性能有更高要求，其抗震设计成为结构工程设计的难点与重点。面对如此形势，高层建筑的结构设计探索应放在首位加以研究。本文简要分析建筑抗震设计存在的问题，以此对高层混凝土抗震设计进行分析研究。

【关键词】高层建筑；混凝土结构；抗震设计

引言：地震作用影响因素的复杂性使精确的抗震计算有一定的困难，因此建筑抗震问题必须引起足够重视。高层建筑层数多、高度高，结构也比一般建筑复杂，随着高层建筑的增多，一旦遭遇地震，将会造成巨大损失，高层结构抗震设计越来越重要。所以，采取有效措施，做好高层建筑结构的抗震设计，防患于未然，对提升高层建筑抗震能力有重要意义。

1.抗震设计思路

我国《建筑抗震规范》对建筑的抗震设防提出小震不坏，中震可修，大震不倒三个水准的设防要求。地震的随机性、不确定性和复杂性意味着建筑物会遭遇的地震特性和参数难以预测。高层建筑物庞大复杂的特点，使遭受地震作用后表现也十分复杂。结构分析方面也存在着不确定性。因此，结构工程抗震问题应立足于工程抗震理论及长期工程抗震经验总结，从概念设计的角度着眼于结构的地震反应，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，从根本上提高结构的抗震能力。

2.建筑抗震设计存在的问题分析

要研究高層建筑结构的抗震设计，必须先分析高层建筑抗震设计存在的问题及影响因素。

2.1地基选取问题

高层建筑不应跨在两类土壤上建造，应避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋，不用震陷土作天然地基，远离河岸，宜选择开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地。高层建筑地基选取不当会影响高层建筑抗震能力。

2.2结构体系与材料问题

建筑物所用材料和结构体系逐渐被重视，其选择对于抗震有重要意义。钢筋混凝土建筑结构在变形控制过程中要考虑混凝土的位移限制，钢筋混凝土的弯曲变形侧移较大，如利用钢框架减少位移又会增加钢筋负荷，辅助效果也不明显，所以结构模式要避免负面作用产生，慎重选择。

2.3建筑物高度问题

高层建筑需要有合理的建设高度，在这种高度下抗震设计才会稳定安全，但是在高层建筑越来越多的今天，超过国家高度要求的高层建筑日益增多，相对应的，符合国家标准的抗震设计规范很可能不再适用，超高层建筑理论经验总结的不足使建筑结构在地震中的表现具备更多不确定性，当遇到震力时，地震的破坏力可能会被放大，造成生命财产损失。

表1.房屋适用的最大高度（m）

3高层混凝土建筑结构抗震设计探讨

针对以上问题，通过对问题和影响因素进行分析，探讨高层混凝土建筑结构抗震设计。

3.1场地与地基选择

场地与地基的选择对高层建筑抗震能力有直接影响，要保证建筑地基基础选择的科学性，在选择场地时，应充分了解当地情况，对地质进行勘察，资料收集与综合评价，评估抗震设计等级，规避不利场地，软性地基。在高层建筑地基选择应尽可能选择具有较高密实度的基土，提高地基抗震能力，抗震要求不达标的地基应采取加固或改造措施，应尽量使建筑物场地建在基岩或薄土层或具有较大平均剪切波速的坚硬场地土上，以减少地震能量输入建筑物，减轻地震对建筑物的破坏作用。场地土刚度大小与覆盖层厚度影响建筑物震害，土质越软，覆盖层越厚建筑物震害越严重。

3.2建筑物结构、外形与尺寸选择

建筑物结构、外形及尺寸影响建筑抗震性能。在高层建筑平面设计中要注意提高建筑防震性能，高层建筑是一个竖向悬臂结构，在高层结构中，水平荷载的影响远大于垂直荷载，是结构设计的控制因素，结构要有足够的刚度以使随高度增加引起的侧向变形在结构允许范围内。现浇钢筋砼结构刚度大，空间整体性好，造价低廉，材料来源丰富，适应各类建筑要求，但是结构自重大，抗塑性变形差，当场地土特征周期较短时易发生共振。因此，高层建筑采用钢筋混凝土结构形式应尽量避免场地土和建筑物发生共振，而使震害更加严重。不规则建筑物比普通建筑抗震性低，所以在具有不规则外形的建筑结构设计应采取一定的防护措施。高层建筑高度，自重与地震危害程度成正比，要对当地地址情况合理评估，合理设计建筑高度，以应对可能发生的地震灾害。

3.3建筑结构材料的选取

建筑抗震性能在很大程度上取决于抗震材料，高层结构抗震设计就是对建筑构件延性进行整体协调与把握，力求在地震中的能够保持稳定。要对材料质量进行严格把关，选择优质合格的抗震材料，确保抗震施工质量。在钢筋的使用上应尽可能选择韧性高的产品。建筑的质量会影响地震的效应，如果建筑层数过多，在地震的作用下坍塌的危险就会增加。为缓解这一现象，可以采用轻质材料减轻结构自重。轻型材料的应用还可以合理增加建筑层数，进一步的控制成本。最后，要兼顾建筑成本与造价控制，用较少的材料达到最佳的抗震效果。

3.4平面布置

平面布置是在建筑设计平面图上将柱和墙的位置及对楼盖具有的传力作用进行合理的设置。从建筑的抗震性能来看，关键在于尽量将建筑结构平面刚度中心与质量中心相靠近或重合，以此降低地震力对建筑的破坏力。为了减轻建筑自重，在设计时应尽量避免平面不规则结构出现，以结构的平面规则、对称为宜。结构的刚度在竖向上要保持均匀，尽量选用较为规则的竖向结构设计，平面上的变化少做。在安全规定内设计结构的高度和宽度，并且需限制两者的比值，以使结构有较好的整体刚度和稳定性。

表2.平面不规则类型

图1.建筑平面

表3.竖向不规则类型

图2.结构竖向收进和外挑示意

3.5隔震和消能减震设计

场地和地基应尽可能选择密实度较高的地基，能够有效减少地震能量对建筑的破坏，减少共振发生可能。根据实际需要设计建筑的隔震系数，选择相应的隔震支座，同時考虑风力对建筑所产生的载荷。我国许多高层建筑时多采用延性结构进行抗震设计，适当控制建筑结构刚度，从而消耗地震作用能量，减弱地震给建筑带来的破坏。如高层建筑有较高的延性，因为延性构件可以吸收较多的能量，即使承载能力较小，也可以经受住很大的结构变形，在地震中不容易倒塌，使结构物“裂而不倒”。

图3.隔振支座

3.6加固设计

根据实际情况采取相应加固措施可以有效提高建筑结构抗震能力，选择加固方法应考虑以下几方面：结构设计存在缺陷，应根据实际情况增加构件加固，或采取更高抗震能力构件替代原有构件；需要提高承载力或结构整体刚度，可以增设构件，扩大原有截面，设置套箍等；建筑结构整体性连接抗震性能不达标，可以对结构进行相应调整，分散地震力，减少破坏；建筑中与结构不相关的构件有可能在地震时倒塌而造成危害的应该适当进行加固。

3.7设置多道抗震防线

图4.框架-剪力墙结构

为增强高层建筑结构对地震的抵抗力，避免因部分结构或构件遭到破坏而导致整个体系崩溃，可以设置多道抗震防线。第一道防线遭到破坏，有后备的更多道防线阻挡地震作用力，避免高层建筑物的倒塌。抗震结构体系由若干个延性良好的分体系组成，由延性较好的结构构件连接。一般第一道抗震防线的抗侧力构件优先选择不负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选用轴压比不太大、延性较好的抗震墙等。框架剪力墙具有多道防线抗震结构，剪力墙作为第一道抗震防线，也是主要抗侧力构件。为保证承受能力较高，剪力墙要足够多。同时，为承受剪力墙开裂后剩余的地震作用，任一层框架部分地震剪力按框架和墙协同工作分配不应小于结构底部总剪力的两成与框架各层剪力最大值的1.5倍中两者的较小数值。

结束语

高层混凝土结构建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计的重要指标。高层建筑结构抗震设计方法和技术的不断变化与进步要求我们在实践中全面考虑各项因素，选用适合的抗震结构，注重材料选择，减小地震作用力，增强地震抵抗力，熟练的掌握和运用抗震概念设计，从而建造出更多精品高层建筑工程，为社会造福。

参考文献：

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