高层建筑抗震设计分析

2020-09-12姜洋

广东建材 2020年8期

姜洋

（福建农业职业技术学院）

1 高层建筑抗震设计分析

抗震设计理念在建筑设计过程中尤为重要。高层建筑中的抗震措施、抗震计算均属于抗震设计中需要分析的内容。建筑设计人员在对高层建筑进行抗震设计时，必须考虑各种地震过程中不确定因素，相关建筑设计人员要全面掌握抗震结构原理与建筑材料性能，在此基础上利用相关的理论知识对建筑结构进行综合设计,以此确保抗震性能良好。

在钢筋混凝土主体结构设计中，抗震设计的重要性不言而喻。在设计初期阶段，要考虑建筑物结构类型、建筑物高度、抗震设防类别、地震烈度分类等因素，从而选择与之相适应的抗震等级，并且必须与相应的构造要求相匹配。更值得一提的是，在确定钢筋混凝土主体构件抗震等级时，应当满足如下要求：如果是框架剪力墙结构，在水平地震力作用下，底部承担的倾覆力矩/总倾覆力矩≥50%，则抗震等级宜按照框架确定；当建筑物有较大裙房时，并且与主体结构相连，抗震等级需要按照裙房确定，除此之外，裙房的抗震等级≥主楼的抗震等级；若是二者不相连，则抗震等级可直接按照裙房的确定；当主体结构的嵌固部位为地下室的顶板时，地下一层的抗震等级可以与主体结构相同。

钢筋混凝土结构的主体设计工作不仅复杂而且系统，由于其中设计的知识点繁多且冗杂，每一个环节都必须细致且谨慎，因为一旦一个环节出现问题，都会影响整体建筑的安全性与稳定性。因此在实际工程中，相关结构设计人员应当熟悉掌握各种设计要点，并合理运用，最终才能保证满足现行规范的设计要求。

2 高层建筑设计原则

只有科学、真实、全面地考量影响高层建筑抗震效果的因素，设计师才能够针对性地对高层建筑进行抗震设计，才能保证其稳定的抗震效果。

2.1 规整性原则

在结构设计初步阶段，建筑设计人员需先计算建筑物抗侧力性能，更合理的结构抗侧力体系，会使建筑结构受力更均匀，建筑物的抗震性能更稳定。同时要保证结构构件强度变化均匀。考虑以上因素，就要保证建筑物造型平面立面尽量对称。此外，建筑结构的抗震设计要符合建筑物所在地区的震级要求。

2.2 刚度原则

地震等次生灾害来临时，建筑物受到外力的作用，要有合理的刚度来保证建筑结构满足抗震要求。如果建筑物刚度不符合规范要求,建筑会受到严重的损坏。但如果刚度高于规范要求，建筑抗震构件因受到不均匀地震作用而造成结构构件断裂，很容易造成建筑物失稳，因而在设计工作中要做到建筑构件刚柔结合，避免建筑物在地震力的作用下因脆性破坏而瞬间坍塌。

2.3 科学性原则

建筑物抗震效果很大程度取决于结构抗震设计，建筑物抗震设计必须要遵守科学性和合理性，才能使建筑物抗震性能既经济又可靠。建筑物结构宜简单规整，如果过于复杂，则荷载分布不均匀并且集中荷载相对较大，地震会对建筑结构造成更大的破坏。所以，建筑物在进行平面设计时，要尽量刚度、质量分布均匀，从而提高建筑物的抗震效果。在结构设计时，要考量建筑物的鞭梢效应。建筑物超出屋面的高度不宜过高，要满足设计规范要求。如果平面不规则设计不可避免，则要着重计算离建筑物刚心较远处剪力墙的设计参数。

3 设计策略分析

3.1 建筑物自身结构设计

首先要选择合理的结构方案体系，在高层建筑设计中选择科学合理的抗震措施,建筑物的抗震能力会更加的优越。竖直结构的垂直方向重力可以使横向压应力稳定。要保证其竖向构件有着清晰的传力途经，保证其属相构件的承载力和稳定性。

在地震烈度较高的地区，结构设计师在选择建筑材料和结构体系上会格外地谨慎。在我国，高层建筑和超高层建筑主要应用三种结构体系，分别是框筒结构、筒中简结构、框架支撑结构。上个世纪80 年代，砖混结构在我国应用非常广泛，随着社会经济的不断进步，钢筋混凝土结构逐渐替代了砖混结构，但这两种结构不适合应用在超高层建筑上，而且在大震作用下，无法抵抗。在我国高层建筑结构中，设计多采用框架-核心筒体系，这种结构体系经济合理，不仅用钢量相对节省，而且梁柱截面相对较小，节省材料，所以被建设单位甲方所广泛采用。对于混合结构，地震剪力大部分作用在钢筋混凝土结构的内筒上，主侧移以弯曲变形为主，因为钢框架构件的刚度较小，所以其侧移较大，因此混合结构位移不得超过钢筋混凝土结构构件的位移限值。最常用的解决办法就是增加混凝土内筒的刚度以及设置悬臂的桁架结构体系，这样刚度才可以满足规范限值。转换层要设置在结构体系刚度或柱距发生明显变化的部位。但设置加强层和转换层会大大提高本层结构刚度，造成刚度突变，从而导致与加强层、转换层相连接的框架柱剪力突变。而强柱弱梁的原则，在加强层伸臂构件及转换层构件与外部框柱连接位置则无法满足。因此，在设计最初阶段，必须科学、合理、谨慎地选择结构形式体系，尽量有效降低转换层及加强层刚度，比如采用钢结构或钢筋混凝土混合结构的伸臂构件及转换构件，来减少刚度突变的不利影响。当混合结构高度较高时，因为钢框架材质自重较轻，且柔性较大，为了使风振作用的不利影响减弱，多采用钢骨混凝土和钢管混凝土构件。

近年，随着社会经济的不断进步，耗能减震技术逐渐运用在高层建筑中，在设计时采用高延性结构构件，适度结构的刚度，在地震发生时，可以使结构构件进人高延性的塑性状态，大量的吸收地震能量，从而减少对建筑物有害的地震反应，削弱地震的破坏。延性构件在大震时可以吸收较多的地震能量，并且自身可承受较大的结构变形，因此这种结构体系的应用越来越广泛。2000 年以后，人们对防屈曲耗能支撑及隔震支座的应用进行了大量广泛和深入的研究，这些耗能构件可以吸收大量的地震能量，从而减小地震反应对建筑物重要构件的破坏。其中隔震支座以基础隔震应用最为广泛。防屈曲耗能支撑的横纵向构造图如图1、图2 所示。基础隔震示意图如图3 所示。

图1 防屈曲耗能支撑的横向构造

图2 防屈曲耗能支撑的纵向构成

图3 基础隔震结构示意图

3.2 建造材料

建筑物抗震效果，建筑材料在很大程度上会影响建筑物抗震效果。而抗震设计在材料上的选择需要综合考虑选成本、刚度、延性等因素。常用建筑结构的抗震设计要求为：

⑴为满足抗震设计的要求，砌体结构需要按照规范规定设置保持结构稳定的圈梁与构造柱；

⑵钢筋混凝土结构要对抗震结构构件的截面尺寸有合理的选择，并且保证相应的配筋率,不能少筋多筋，使结构发生的剪切破坏与脆性破坏；

⑶大跨度结构下选择预应力混凝土构件应严格按规范要求进行计算，并按计算结果配置预应力钢筋。

3.2.1 钢筋

钢筋混凝土结构中，应该遵循钢筋自身的性能来选取钢筋的型号和强度等级，纵向受力钢筋选择型号HRB400 或者HRB500；在受力构件比如而梁、柱、斜撑中，纵向受力钢筋选用HRBF400 或者HRBF500；若需要选取预应力钢筋，宜选高强度钢绞线或预应力螺纹钢筋。HRB系列中的普通热轧带肋钢筋延性良好、可焊接性强、机械连接性能牢固，可使钢筋混凝土结构主体的强度增强，所以被广泛采用。而且，为了满足建筑物抗倒塌设计规范要求，钢筋强度标准值的保证率不得低于95%。

3.2.2 混凝土

在钢筋混凝土结构主体设计中，应当用正方体抗压强度标准值确定混凝土抗压强度；建筑物结构的混凝土，强度等级不得低于C15，如果建筑结构所选取的钢筋强度等级全部≥400MPa 时，所选取的混凝土的强度等级不得低于C25。钢筋混凝土结构中如有构件承受重中荷载，选取的混凝土强度等级不得低于C30。

3.3 建筑环境

如果建筑物选址位于地表容易相对错动地理环境中，就极易受到山崩或滑坡等次生灾害的破坏。结构设计要结合地勘报告谨慎选择抗震场地，尽量避免选取抗震不利地段，尽量避免软土地带。若场地选取不当，会增大建筑物坍塌风险。若无法避让时，应做好地基加固工作，降低地震对建筑物的破坏。

3.4 设多道抗震防线

在进行高层建筑抗震设计时，要设置多道抗震防线，并且要符合大震不倒、中震可修、小震不坏的抗震设防原则，进而减少高层建筑受地震作用坍塌的情况发生。剪力墙之间较大洞口的长度与屋盖的长度比应按照表1 进行。

表1 剪力墙洞口与屋盖长度比值

4 结构优化

结构优化设计工作相比结构初设计，更为冗杂系统。每一个建筑物本身都是一个从上到下的完整结构系统。平立面选择上，要规整合理简单，这是优化结构设计成功与否的基础。建筑物造型越复杂，结构抗震设计的建筑成本越高。所以，合理结构体系的选择，直接影响建筑物的造价成本。比如：因为普通短肢剪力墙的含钢量较高，设计人员通过选择合理布置普通剪力墙可以适当降低成本。而稳定的基础形式，不仅能降低基础造价，而且可以提高上部结构的稳定性。结构形式不同，结构优化的重点也就不同。例如，剪力墙结构中剪力墙钢筋量/上部结构钢筋量＞60%，则结构优化要重点考量剪力墙；而框架结构中，梁的钢筋用量/整体结构中＞55%，所以梁是框架结构中优化的重点。