高层建筑结构抗震设计的研究

2018-07-03周磊

建材与装饰 2018年30期

周磊

（南昌大学设计研究院）

地震对高层建筑的影响是较大的，对于建筑来说，良好的抗震设计能够保证人们的生命安全和财产安全。因此，设计单位及设计人员应当要对高层建筑的抗震设计给予一定重视，在掌握设计原则的基础上，不断优化抗震结构的设计，为高层建筑的使用寿命以及人们的生命财产安全提供保障。

1 高层建筑结构抗震设计原则

1.1 整体性原则

高层建筑结构抗震设计需要遵循整体性原则，在高层建筑结构中，剪力墙及框架柱的布置应尽量横平竖直，竖向构件之间的拉结梁应有足够的刚度，以保证竖向构件的变形协调，更加合理的分配风荷载效应和地震效应。楼盖在整个抗震结构中是非常重要的，其整体性与建筑结构整体性有着直接的关系，不仅要求其能够聚集和传递惯性力到其他子结构，同时还要求子结构具有较强的抗震性能，抵抗地震的作用。若是竖向抗震里子结构的分布不均匀，则会导致整个高层结构只能依靠楼盖来与子结构进行协同工作，共同“承担”地震作用力。因此，在进行抗震设计的时候应当要注重整体性原则。

1.2 刚度原则

在高层建筑结构中，确定结构刚度并对结构进行合理的布局能够抵抗任意方向的地震作用力，在通常情况下，结构刚度的设计不仅要对结构变形进行良好控制，同时也能够降低地震通对建筑结构的冲击力。若是结构变形量较大，则会导致建筑出现重力二阶效应，直接导致建筑失衡。并且高层建筑的填充墙应采用轻质材料，外墙尽量采用玻璃幕墙，减轻结构总重量，以此降低高层建筑在受风荷载及地震作用时的内力（结构重量越大，地震效应越大）及变形（结构重量越大，由变形产生的重力二阶效应越大）由此可见，科学合理的刚度设计能够提高建筑的质量，有效对抗地震作用力，因此，在抗震结构设计中应当要注重刚度设计的合理性。

1.3 规则与均匀原则

规则与均匀原则也是高层建筑结构抗震设计中所需要遵循的原则。结构的竖向布局应当要规则且均匀，且要保证结构侧向刚度变化的均匀性，避免侧向刚度的突变影响建筑抗震性能。这样能够保证建筑结构在地震作用力的影响下能够有明确且直接的传导途径。为避免高层建筑在地震作用下产生过大的扭转，平面布置应符合以下要求：采用地震作用影响较小的平面形状，平面布置宜规则、对称、避免质量和刚度分布的不均匀，地震力不同作用方向上的结构抗侧力刚度不宜差距过大，平面长度不宜过长。当为满足建筑需要而采用跃层（局部开洞较大）设计时，为应对开洞的洞边进行加强设计。

2 高层建筑结构抗震设计

在上述抗震设计原则的基础上展开相应的抗震设计，能够有效提高高层建筑结构的抗震性能。在实际情况中，可以从以下几方面来展开高层建筑结构的抗震设计：

2.1 场地与基础的选择和设计

场地与基础部分是抗震设计的基础环节，很多地震造成建筑的破坏都是由场地和基础而引起的。在场地的选择方面，应当要尽量避开容易断裂的地带和土质不利的地带，如：软弱土地带、断层破碎带、半挖半填地基等，若是避免不了要在不利地带展开建筑，那么需要对地基基础进行加固处理，常见的地基加固处理技术有强夯法、换土垫层法、深层挤密法等。由此可见，对高层建筑进行结构抗震设计的过程中，应当要对场地进行合理选择，并对地基进行适当处理，保证同一个体系在相同性质的地基上，保证同一个建筑使用一种基础，并保证地基基础与建筑结构之间的紧密性和相互作用。

2.2 抗震结构体系的设计

①高层建筑结构的抗震体系与其他类型建筑有所不同，除了常规结构布局外，还要考虑其规则性与对称性（上文中有所涉及），避免出现扭转的情况导致失衡。因此，应当要保证建筑的竖向结构有规则均匀变化，从上至下刚度逐渐减小，若是建筑发生不规则扭曲，那么需要通过抗震措施来加强薄弱环节，提高建筑的抗震性能。②为了提高高层建筑结构的抗震性能，需要设置多道抗震防线。从受力情况上来分析，高层建筑结构的抗侧刚度可以分为两种情况，一种是内外结构协调作用共同承担，相互补充，外部结构承担大部分的倾覆弯矩和小部分的剪力作用，而内部则承担大部分的剪力和小部分的倾覆弯矩；而另一种则是外部结构非常强大，承担大部分的倾覆弯矩和建立，内部结构则承担了较小的部分。由此可见，当建筑的第一道屏障遭到破坏时，第二道防线能够起到一定的保护作用。比如：在框架剪力墙体系中，抗震墙作为第一道防线，框架则作为第二道防线，起到良好的抗震保护作用，如图1所示，框架-剪力墙结构，其承重体系为墙体和框架共同承担竖向和水平方向的作用力，多用于高层建筑。③薄弱层是抗震设计中需要重点关注的环节，由于建筑材料、刚度以及变形能力等方面的影响，建筑会出现抗震薄弱环节，若是地震来袭，那么这些薄弱环节会率先“屈服”，导致建筑坍塌。需要注意的是，建筑抗震的薄弱环节需要从建筑的整体进行分析，避免考虑部分环节而忽略整体受力情况和变形情况。此外，由于结构的薄弱层只是一个相对性的概念，常常会受到材料变化、设计施工等方面因素的影响而产生变化，导致薄弱层的位置发生变化，那么如何控制薄弱层位置发生转移而又能够达到其变形能力，是控制高层建筑结构抗震性的关键。

图1

2.3 建筑构件的抗震设计

高层建筑抗震性能的提升需要有各个构件的支持，因此，在抗震结构体系中的每个构件都必须要有合理的刚度和强度，且具有一定的连接性。在设计的过程中除了要设置多道抗震防线外，还要保证每个构件刚度和强度的科学合理性，尽量降低薄弱环节产生的机率。

在高层建筑中，除了承重结构外，非承重结构也是较为重要的，虽然非承重结构并不是建筑中的关键性结构，但是其重要性是不言而喻的。在抗震设计中，非结构构件的抗震设计需要从以下几方面出发：①在设计的过程中，需要先分清结构中哪些是非结构构件，然后展开相应的抗震设计。但是需要注意的是，在建筑中有一些结构是否属于结构构件并不容易区分开来，这种情况可以将其按照结构构件来处理。②对于支撑在楼层之间和防震缝两侧的非结构构件来说，需要考虑到当地震来袭的时候支撑点之间位移产生的作用效应。