抗震结构设计在高层建筑中的应用分析

2018-02-15贾宏宇

建材与装饰 2018年29期

贾宏宇

（浙江省现代建筑设计研究院有限公司浙江杭州 310014）

前言

高层建筑在人们的生活中较为常见，高层建筑的出现及使用有效地缓和了城市居民的住房问题，通过科学的设计及施工，高层建筑的各项性能可以很好地满足用户的需求，同时在智能化设施的支持下，人们的生活水平可得到较好的提升。对于高层混凝土建筑而言，结构抗震设计的科学性影响较大，同时，如何保护高层建筑在地质灾害中不被破坏需要设计者予以重视。

1 地震对高层建筑的破坏性

1.1 对地基的破坏

高层建筑在地震发生时，其建筑结构的地基破坏是比较明显的一种破坏形式，假如建筑设计在软土层上，这样更会加重建筑的地基破坏。这是因为软土地基在发生地震时，其主体液化的地基沉降会加强，这样就会导致建筑的主体性地基结构发生倾斜，这对于建筑的安全性来说，是比较危险的一项破坏。由于高层建筑结构在实际设计过程中，采用的是混凝土累积结构，这种结构在发生地基沉降的影响下，就会出现明显的倾斜，而随着倾斜程度的不断增大就会导致建筑的主体性受到破坏。如果将高层建筑设计在比较危险的地段，这样就会使得高层建筑结构在发生地震时出现主体性不均匀倾斜的现象。甚至还会出现裂缝，因此，在这种情况下的建筑结构设计中，一定要注重对建筑结构地基的抗震设计。

1.2 对建筑结构的整体性破坏

假如高层建筑结构设计在其实际设计过程中，采用的是混凝土框架结构，这种结构假如遇到地震就会导致建筑的整体平面受到影响，同时也会导致建筑结构的平面框架发生位移。另外，由于在高层建筑结构的设计过程中，采用的是交叉支柱体系构建设计，因此，这种建筑设计在发生地震时，就会出现建筑结构的剪切破坏，同时建筑结构的肢体会出现窗洞性破坏，由于在实际建筑的设计过程中，采用的是剪力墙建筑主体结构，这种结构在发生地震时，能够将地震对建筑传递的能量进行发散，因此，剪力墙在一定程度上减轻了地震对建筑的主体性破坏。

1.3 对建筑刚度的破坏

在高层建筑结构的设计中，采用的是矩形平面式设计，如果出现了电梯井偏移状况，会在一定程度上加剧地震对建筑结构的破坏程度。这是由于高层建筑结构在其实际设计过程中，针对电梯井的设计，采用的是刚性设计，这种设计形式在其实际应用过程中，如果发生地震，就会导致建筑的电梯井在地基结构的偏移情况下，出现明显的晃动，因此，这也在一定程度上加剧了高层建筑结构在地震来临时的刚度性破坏。由于高层建筑的刚度性破坏受到影响，导致建筑的矩形平面结构，在面临地震时，其整体的结构在空间扭动的影响下，加深震害影响。

2 高层混凝土建筑抗震结构设计机理

2.1 隔震

高层混凝土建筑结构隔震设计，主要是指在高层混凝土建筑的下部，设置相应的隔震层。该隔震层在地震的作用力下，产生相应的水平变化，让地震的作用力不会影响到上部的高层建筑。它能够让高层混凝土建筑的上部建筑物与地基之间的共振减少，吸收更多的振动能量作用。隔震的主要构件分为三个部分：①铅制的缓冲性构件。该构件主要是利用纯度较高的铅材料，在经过塑性变形后制成的构件；②钢制的缓冲性构件。该构件主要是对钢材料进行塑性变形后制成的构件，能够起到衰减震动的效果；③叠层式橡胶，它是一种把钢板与厚度数为毫米的一些橡胶重叠交互接合，在压力与热的施加下制成的弹性较高的构件。它能够防止地基出现共振情况，让高层建筑抗震结构保持着垂直状态。

2.2 减震

主要的减震方式有三种：①消能减震。主要是利用高层混凝土建筑结构的附加阻力值，当阻力值达到至高点时，会导致建筑结构的地震作用力减弱。该方式也就是在建筑结构中的一些部位中，设置上相应的耗能元件，在发生振动时，形成滞回的变形，将能量耗散，如摩擦力的电阻器、金属的阻力器、粘滞的阻力器等；②跷动式减震。它允许上部结构和下部基础脱离，通过上部结构的晃动来隔震。与传统的隔震技术的区别在于，它放松的是转动约束而不是水平约束；③机械式的减震。该方法主要是在高层混凝土建筑内部利用钢支撑，并与外部的钢管之间不粘结；或在钢管混凝土或者外包钢筋混凝土与钢支撑之间，进行无粘结漆的涂抹，形成一定的滑移界面，从而起到减震的效果。

3 高层混凝土建筑抗震结构设计要点

3.1 水平荷载控制

水平荷载决定着高层建筑结构设计的整体效果。水平荷载包括风荷载和水平地震作用。水平荷载的大小将直接决定了高层建筑的抗震水平。原因在于：①高层建筑物重力荷载以及高层的水平荷载使建筑产生轴力、剪力以及弯矩，其中轴力、剪力与高层建筑物自身高度一次方呈现正比关系。②水平荷载使高层建筑结构产生的弯矩，在构件中形成的轴力作用将和楼房高度两次方呈现正比关系。

3.2 建筑物侧移控制

在高层混凝土建筑中，在水平荷载的作用下建筑结构通常会出现侧移，而这种侧移也会随着楼层数的增加而逐渐加大。若建筑结构侧移的尺度过大，则建筑结构的本身就会产生一定的内力。在内外力的作用下，偏心力在超过一定数值时，就会导致高层混凝土建筑出现大的位移甚至倾倒。同时，建筑结构在受到地震荷载影响下，会出现水平的剪切力，也会导致建筑物产生侧移的情况。因而在对高层混凝土建筑进行抗震结构设计时，要保证建筑物结构的稳定性、刚度及强度，避免出现侧移情况。

3.3 水平刚度的控制

当地震来临时，受地面运动影响，高层混凝土建筑结构更容易受到水平作用力的影响，出现侧移甚至坍塌情况，这对高层混凝土建筑横墙的承载力提出了一定要求。在抗震结构设计中，建筑物结构的水平刚度是最为重要的设计要点。高层混凝土建筑的楼盖要把地震的作用力传递给横墙，让建筑结构产生抗倾覆的力矩，同时在结构的竖向构件内形成一定的轴力，从而让建筑结构的高度与水平力弯矩形成正比，避免发生侧移甚至坍塌的情况。因而，这就需要注意水平刚度的合理控制。