高层住宅建筑结构的抗震优化设计探讨

2018-02-15李新磊冯福雄

建材与装饰 2018年50期

李新磊冯福雄

（天津市天友建筑设计股份有限公司天津 300384）

引言

建筑结构的抗震能力是指当地震发生时，设计的多道防线和结构体系最大限度上抵挡地震对建筑的冲击破坏，尽可能减少人员伤亡和经济损失。改革开放之后，经济迅速发展，尤其是近年来房地产产业突飞猛进，土地资源的紧张和人口的不断增加，促使住宅建筑朝向高层发展，而且建筑高度也在不断增加。但是高层住宅重心高、稳定性和安全性有所欠缺，而且容纳的人口更多，一旦发生地震灾害，生命财产损失会更加严重。所以一定要做好高层住宅建筑结构的抗震优化设计，保障高层住宅具有良好的抗震性能以及安全性。

1 高层住宅建筑结构抗震设计的必要性

1.1 我国国情原因

众所周知，我国地处世界两大地震带即环太平洋地震带和喜马拉雅山-地中海地震带之间，甚至有些地区就是这两个地震带的组成部分，受其影响，我国地震活动不仅频度高、强度大、震源浅，而且地震活动范围广，几乎全国各省均发生过地震。据统计，我国大陆地震约战世界大陆地震的1/3，我国是一个多地震的国家。此外，由于我国城市人口密集而且一部分建筑质量不高，抗震性能差，所以我国地震造成的破坏较为严重。所以，要减轻地震带来的灾害影响，必须对建筑尤其是关系到国计民生的高层住宅做好抗震优化设计，增强建筑的抗震能力[1]。

1.2 地震的不可预知性

现在的科学技术水平还无法对地震进行准确预测，只能对发生的地震进行检测并采取相应的救援措施。地震都发生在地下，一般的浅源地震震源至少10km深，然而目前科学技术探测的深度还达不到。另外，目前大多数利用地震噪声或超低频电磁波跟踪地震或进行地震勘探的方法检测地震。但是，利用地震噪声或超低频电磁波跟踪地震，不仅需要布设相当密度的地震台，还涉及海量的工程计算，最终得到的图还是10d之前的，而且还只是一小片的区域数据[2]。地震勘探，常采用炸药作为震源，通过对距离、深度和炸药量的控制，人工产生地震波，根据地震波在底下不同岩层中的传播路线和时间，进行探测但是这样的采样率很低，而且不可能每天都在勘探，可行性和准确性都很低。目前地震的预测性是世界性难题，所以我们只能采取措施预防，对建筑住宅进行抗震优化设计，增强建筑的抗震能力，当地震来临时在最大程度上降低危害。

2 高层住宅建筑结构抗震设计要点

2.1 抗震设计规则性

在进行抗震结构优化设计时，应该遵循相应的抗震设计要求和规定，具备较深的专业知识背景，结合实际情况和资金能力，科学合理的布设建筑空间和使用功能，科学优化设计建筑结构体系，一一列举出相应的限制条件。在对高层住宅建筑进行设计时，还应该明确具体的设计目标和设计原则，保证住宅结构规则性，以便于建筑物有足够的扭转刚度以减小结构的扭转影响，平面对称均匀，结构承载力均匀分布[3]。唯有这样，才能提升高层住宅建筑的承载力和刚度，达到抗震效果，当地震来临时，才能够有效的缓冲地震的冲击，受到较小破坏，让住宅不会倒塌。

2.2 层间位移限制

高层住宅建筑的抗震能力与位移限制、结构体系、结构材料紧密相关，同时，建筑的高宽比和侧面承载力也直接关系到抗震效果。设计人员在对高层住宅建筑结构进行抗震优化设计时，应该严格把控建筑的高宽比和建筑材料。现在大多数住宅建筑一般都采用钢筋混凝土结构，但是这种结构在风力和地震的冲击下，往往会发生较大的层间位移现象。所以一定要把控好建筑材料的质量，确保它们有足够的刚度和结构承载力，尤其是钢筋混凝土结构位移限值符合要求[3]。尽可能的保证高层住宅建筑的稳定性和可靠性，保护住宅内的人身安全和财产安全。

2.3 控制扭转效应

如果建筑物构件的抗侧力不能均匀的布置在建筑物四周，质量中心和刚度中心就不能重叠在一点，这就极大地降低了建筑物结构的抗倒塌能力，建筑容易倒塌。此外，高层住宅建筑由于高度问题，重心高，不同高度之间的扭转效应也存在一定的区别。所以在进行抗震优化设计时，一定要重视扭转效应的影响，严格把控不同高度间的扭转效应，合理布局。

3 提升高层住宅建筑结构抗震性能的优化策略

3.1 科学合理选择建筑位置

科学的选择合适的建筑位置，能从根本上解决一些问题，在一定程度上规避地震的影响。在住宅建筑开始之前，应当先进行地基勘测和周围环境的考察，并做好记录和分析。尽可能的选择抗震能力强的区域，土层密度大、强度高的地方，尽量避免土质疏松的软地基。如果无法避免，那就人工处理，增强地基的硬度。此外，最好避免选择容易出现地震的地段和陡坡、采空区、河岸边缘和液化土区域以及容易发生泥石流和滑坡等自然灾害的地区。尽可能的避免这些区域，如果实在避不开，在抗震优化设计时，就要考虑清楚这些区域带来的危害，采取措施进行补救。比如，根据地区地基液化情况和抗震设防等级，进行相应的消除地基液化或采取灌浆法巩固地基。

3.2 住宅结构抗震体系

高层住宅建筑结构抗震体系的设计是建筑结构设计中最为核心所在，直接关系到建筑结构的安全性和稳定性。在进行设计抗震体系时，提前研究清楚住宅的位置特点、成本投入、这一区域地震活跃度，设计出针对性的抗震体系。在条件允许的情况下，可以在高层住宅顶层设计铺设橡胶层，因为橡胶层对缓冲地震冲击力有一定的效果，这样可以增强住宅的承受力，提升住宅建筑的抗震效果。除此之外，还应结合实际情况，设计多道抗震防线，多重措施来缓冲地震的冲击力，保障建筑的安全性。这就需要合理选择不承担重力负载的结构和地震作用传递途径，防止因局部损坏而使整体受到影响。高层住宅建筑结构抗震体系在内各个结构既要相互协调，又要相互独立，在外要形成一个系统完整的抗震体系，确保体系的完整性。

3.3 优化建筑结构

抗震优化设计中的一个重要的要点就是均匀对称，综合分析、科学评估整个建筑结构中的承载能力和刚度，以便对建筑的抗震能力有个大体估算。高层住宅的承受力受建筑结构的刚度、结构构件的分布和结构延性影响。高层建筑的承重结构分纵向和横向两个方向，他们整合在一起就是整个的建筑结构，而承重结构的刚度和稳定性又影响着抗震效果。所以在进行抗震设计优化时，先对承重结构进行优化。可以采取增加构造柱、配置钢筋圈梁、选择合适的塑性变形构件的方式，增强结构的稳定性和安全性。此外，在进行抗震结构优化设计时，还应重视建筑主体的抗侧力结构。在设计时，要注意在对主体抗侧力结构进行平面布置中确保同一主轴方向的抗侧力结构刚度均匀，而且两个主轴方向变形特性以及刚性应该比较相近。这有助于建筑结构提升抗风能力和抗震能力。