高层建筑混凝土结构抗震设计浅析

陈倩

（海安市建设工程施工图审查室， 江苏 海安 226600）

目前， 高层建筑是建筑工程的主要形式， 其有效缓解了我国土地资源紧缺的难题。 高层建筑的高度较高， 对抗震性能和稳定性的要求较为严格。 因此，在设计高层建筑混凝土结构时， 要全面分析其抗震性能， 选用抗震性能好的结构体系， 保证结构整体抗震性能， 切实维护广大人民群众的生命、 财产安全。因此， 研究和探讨高层建筑混凝土结构抗震设计方法具有非常重要的现实意义。

1 高层建筑混凝土结构设计特点

高层建筑是指10 层及10 层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。 高层建筑混凝土结构可采用框架、 剪力墙、 框架-剪力墙、 板柱-剪力墙和筒体结构等结构体系。高层建筑应注重概念设计， 重视结构的选型和平、 立面布置的规则性， 合理选择结构体系。 高层建筑混凝土结构是竖向的悬臂结构， 其轴向力和弯矩是由竖向荷载和水平荷载造成的， 但水平荷载却起着决定性作用。 因为建筑自重和楼面活荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值， 仅与建筑高度的一次方成正比； 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、 以及由此在竖向构件中所引起的轴力， 与建筑高度的两次方成正比。 另外， 在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求结构具有足够的抗侧刚度， 结构在水平荷载下产生的侧移限制在结构允许范围内。 在抗震设计时，应保证结构的整体抗震性能， 做到小震不坏、 中震可修、 大震不倒。

2 高层建筑混凝土结构抗震设计的主要原则

一是建筑结构合理性原则。 在设计高层建筑混凝土结构时， 应根据建筑物的真实情况， 合理选择结构体系。 通常而言， 在确定整体结构后， 要运用系统化方法分析结构情况， 使整体结构具有必要的承载能力、 刚度、 延性。 对结构组成构件来说， 需依照“强柱弱梁、 强剪弱弯、 强节点弱杆件及强柱根” 的原则来设计， 且承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。 在发生地震时， 一些薄弱部位极易出现坍塌， 应采取措施提高其抗震能力。

二是不同建筑环节抗震防线原则。 就抗震防线来说， 在高层混凝土建筑中， 要根据工程环节的不同开展不同的资源配置和工程设计。 可采取分级的方式设计高层建筑混凝土结构， 设置多道抗震防线， 就算地震真的发生了， 也可有效避免发生连带问题。

强烈地震后往往伴随余震， 假如仅设置了单一的一道防线， 建筑极易因损伤积累而倒塌。 也可将构件间强弱关系作为弹性变化有效关系， 当主体构件受到巨大冲击后， 突破了第一道防线， 因第一道防线和后面防线间具有一段受力距离， 所以第一道防线不会直接影响第二道防线， 从而可确保建筑物安全。

三是针对薄弱部位抗震设计原则。 针对部分距离较大、 具有强弱关系的位置， 应运用科学合理的方式进行不同抗震设计。 在设计前要开展受力实验， 根据各构件承载能力的不同， 在充分考虑的基础上准确判断局部构件能否满足荷载承重能力的要求。

在反复确定局部构件稳定性的同时， 不可因增强了局部构件的稳定性而忽视整体构件的稳定性。 简言之， 局部构件的刚性程度、 受力效果、 承载力的协调状况应结合不同的构建形式适度进行不同的调整。 此外， 现场施工人员应确保局部构件受力均匀， 不得因个别部位具有较强承载力， 便降低该部位的强度， 这样一来则会加大其他部位的荷载， 在发生地震时， 整体结构稳定性会受到一定影响。

3 影响高层建筑混凝土结构抗震设计的因素

一是设计人员的因素。 在高层建筑混凝土结构设计过程中， 设计人员处于主体位置， 其运用的设计理念、 设计方法、 抗震设计经验等会对高层建筑混凝土结构抗震效果造成很大程度的影响。

二是设计技术的因素。 在高层建筑混凝土结构抗震设计中， 传统设计技术主要依靠人力， 现代设计技术主要运用BIM先进信息技术， 可大大提升抗震效果。 而在实际进行高层建筑混凝土结构抗震设计时， 要开展必要计算， 在实际计算分析的基础上，才可保证有更加合理的设计方案。

三是工程资料的因素。 准备工程资料是开展整个项目设计工作的前提， 在进行高层建筑混凝土结构抗震设计中， 需结合设计需求参数、 项目主体结构设计要求、 项目施工区域发生地震情况、 项目材料使用参数等相关资料数据实施设计， 只有在全面采集相关资料的基础上， 才可完成高层建筑混凝土结构抗震设计工作。

4 优化高层建筑混凝土结构抗震设计的方法

4.1 合理选择建筑位置和结构体系

第一， 对我国地震灾害实际发生情况进行全面分析， 不同位置的建筑物对地震作用力的承受能力不同， 最根本原因是由建筑物所在区域的不同地质条件决定的。 因此， 在选择建筑项目地址时要开展环境和地震灾害评估工作， 并考虑下面两个方面的问题： 一是选择在地质环境抗震能力强的区域开展高层建筑项目建设， 为确保高层建筑混凝土结构安全性奠定坚实基础。 特别是要着力避免建筑场地存在滑坡、 泥石流等自然现象， 避免地处地震断裂带等环境。 若在建设过程中不能避开软弱性、 湿陷性、 液化性等特殊土层和土壤， 要提前根据地基处理有关规程要求进行合理设计和加固处理。 此外， 还应探查清楚建筑物地下的土层厚度、 分布、 性状和种类等情况， 认真做好高层建筑的地质勘查报告。 在对高层建筑的地基进行处理后， 还要巩固和加强上部和基础结构的整体性，同时， 通过分项系数法模拟地震力对各建筑物受力构件的冲击情况， 全面系统地提高各构件抗震的能力。二是在高层建筑选址时， 需尽量防止选址周边高危险性建筑物， 如变电站、 石油存储建筑、 化工厂等， 一定要和这些高危建筑物保持适当安全距离。

第二， 适当调整整体构件与部分构件间的关系，以防止由于局部问题影响高层混凝土建筑的承载力和稳定性。 应确保在规划时结构在合理范围内具有变形空间， 同时合理控制赘余度和内力重分配性能。 在这些环节得到有效控制后， 一旦突发地震， 就算个别构件出现问题， 其余构件还可继续发挥抗震作用。 在高层建筑混凝土结构体系规划中， 一定要合理控制结构的刚度和强度， 尤其应注重节点稳定性， 提高底层柱支撑的强度， 确保延性满足抗震实际要求。

4.2 合理布置建筑平、 立面

在设计高层建筑混凝土结构时， 要按照对称性、合理性和均匀性原则， 科学有序地开展平、 立面布置工作。 通常情况下， 高层建筑在水平地震波作用下各楼层都会明显产生偏移。 具体而言， 结构会出现弯曲变形、 剪切变形和扭转变形。 结构不同所采取的控制方式也会不同， 控制方式主要有缩减梁距离、 缩减柱距离、 增加已有周边抗侧力结构的刚度、 应用双重抗侧力体系、 设置刚臂、 设置竖向支撑等。 设计人员可通过交错式设计方法以增加建筑的跨度， 增强整体结构抗震能力， 避免薄弱层位置产生拉伸影响， 避免造成较大变形和位移， 从而使整体结构抗震能力符合国家相关规定标准。

4.3 优化建筑结构设计方案

在设计高层建筑混凝土结构时， 应仔细筛选方案， 确保最终方案能完全满足目前我国相关规定标准， 只有如此， 才可保证主体结构空间充足， 确保高层建筑混凝土结构免受负面因素影响， 在长时间内高层建筑混凝土结构能相对保持平衡状态。 设计人员一定要仔细计算混凝土结构在不同作用下所受影响的准确数据， 同时按照结果对构件的整体布局方式进行重新设计， 在兼顾科学性的前提下， 对建筑内部设施受力状况进行协调和优化， 使建筑平衡受力， 提高建筑承受外力的能力， 破解竖向重力导致的系列问题， 从而实现原有规划中刚度的设计标准。 同时， 要确保结构具有合理性， 防止发生其他复杂情况， 从而增强高层建筑混凝土结构实际抗震效果。

此外， 设计人员应对地震灾害记录信息进行深入研究， 将目前建筑标准与地震信息内容相结合， 选择一些抗震性强的方案运用到各设计环节中， 提高高层建筑混凝土结构抗震设计实际效果。 针对一些细节问题， 设计人员要进行精细化处理。 例如， 对填充墙及隔墙尽量采用轻质材料以减轻结构自重， 主要是因为地震效应与建筑的重量成正比， 重量大了， 不仅作用于结构上的地震剪力大， 还由于重心高， 结构在地震作用下的倾覆力矩大， 故减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。

为满足规范对混凝土柱轴压比的限值要求， 柱截面往往较大， 在结构底部常常形成短柱。 短柱延性差， 地震时很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌， 可采取以下措施提高短柱的延性和抗震性能。一是选用螺旋复合箍筋， 显著提升柱的抗剪承载力，增强柱子的抗震性能。 二是采用分体柱， 人为削弱短柱的抗弯强度， 在柱中沿竖向设缝将短柱分成2 个或4 个柱肢组成的分体柱。 采用分体柱的方式尽管无法较好地提高柱子的抗剪性能， 但可明显提高柱的抗变形能力， 有助于保证高层建筑混凝土结构的稳定性和安全性。

4.4 有效控制地震扭转效应

通常来说， 发生地震时， 建筑竖直方向和水平方向产生的作用力都很强， 同时会产生建筑内部扭转。事实上也正是由于建筑物在多个方向作用力量的重压下， 遭受到极为严重的破坏。 如出现房屋倾斜、 房屋倒塌等。 因此， 设计人员在进行高层建筑混凝土结构抗震设计时， 应对扭转效应予以高度重视。 设计人员在设计中应对各层的扭转修正系数分别计算， 计算时应主要控制周期比、 位移比。 若在规划建设初期设计人员没有实践性参考资料， 应在规划前选择减弱最小位移带点刚度和测量位移部分的刚度， 以确保在整体环境中结构位移一致性。 另外， 所有建筑细节设计都要符合国家相关标准， 若发现任何设计不合理， 一定要在第一时间由设计人员予以调整， 以最大限度地降低因扭转效应造成的不良影响。

4.5 合理设置结构设计参数

设计高层建筑混凝土结构各层级结构参数主要是为了在发生地震灾害后， 模拟高层建筑混凝土结构承受的冲击、 各种受力影响， 同时进行有序计算， 主要计算主梁变形情况和墙体承载能力等内容， 对设计方案进行定量分析。 要严格控制主体结构的变形量， 防止在发生地震时高层建筑混凝土结构变形。 在对结构主体承载力进行计算时， 应对地震情况下延性位移和间位移角进行高度关注， 准确获取主要构件变形数值， 对构件的构造要求予以明确， 并保证建筑场地条件优良， 从而减少地震时地震能力的输入， 有效降低地震破坏高层建筑的程度。 设计人员在结构设计初期， 应提前对高层建筑具体位置、 场地地形条件、 建筑质量检测、 周边环境、 建筑建设工艺、 建筑所需材料等内容进行详细深度了解， 并在此基础上掌握关键点， 融入专项技能和建设理念， 有效设置基础选型，设计完成建筑结构样板。 针对部分较为关键的位置，设计人员要详细进行说明标注， 不断提高高层建筑混凝土结构抗震效果。

设计人员在研究复杂的高层建筑混凝土结构综合受力情况时， 需应用建筑弹性模量理论、 应力理论等力学知识， 以考察建筑目前受力情况能否满足建筑抗震标准。 在全面掌握这些标准后， 才可为高层建筑混凝土结构抗震能力的后续设计奠定坚实的数据参考依据。 通常来说， 高层建筑混凝土结构会涉及到轴压比、 剪重比、 刚重比、 周期比、 位移比等参数， 设计人员的结构模式在短时间内无法实现预期效果， 因此， 需设计人员通过复杂计算， 使高层建筑混凝土结构具有一定抗震能力， 全面提高高层建筑混凝土结构整体的稳定性和合理性。

4.6 设置多道防线共同抗震

地震发生时， 往往会发生火灾、 余震以及水患等很多次生灾害， 在突遇冲击荷载或偶然荷载的情况下， 仅依赖一道安全防御体系无法确保高层建筑混凝土结构的安全， 甚至还会造成整个体系失效， 因此，为减少和防止由于部分或个别构件遭到损坏而导致建筑整体强度的损毁， 在设计高层建筑混凝土结构抗震系统时， 往往会选用两个及以上的抗震体系， 共同来强化对建筑的防护， 还要结合个别抗侧力部件配筋率低和施工分布不均等情况进行优化改进， 最大限度地防止发生某一结构构件抗侧移值太大的情况。 由于地震产生的作用力较大， 因此在设计高层建筑混凝土结构时需使其具有一定变形能力， 以减弱地震作用力，同时更需加强对高层建筑混凝土结构薄弱环节的抗震能力设计， 不能因薄弱环节损坏而对建筑整体抗震功能造成不利影响。 为确保建筑整体抗震能力， 应将建筑设计和建筑抗震设计有机结合， 使构件间形成整体效应， 各部件间能共同产生作用一起抵御地震造成的破坏力， 以起到良好的抗震效果。 另外， 建筑物各部件间可靠连接也可在很大程度上增强建筑物的抗变形能力和抗震能力。 在设计高层建筑混凝土结构时， 作为侧向受力构件的剪力墙， 可在很大程度上确保结构构件的冗余度， 在设计中最好选用“大分散、 小集中” 的方式。 此外， 高层建筑混凝土结构的主要受力构件要具有较强的刚度和延性， 要构建完整的高层建筑混凝土结构屈服体系， 这样一来， 在地震损毁第一道防线后， 第二道、 第三道防线还能进行防御保护。

5 结语

总而言之， 可通过采取合理选择建筑位置和结构体系； 合理布置建筑平、 立面； 优化建筑结构设计方案； 有效控制地震扭转效应； 合理设置结构设计参数； 设置多道防线共同抗震等多项有效措施优化高层建筑混凝土结构抗震设计， 更新设计理念， 坚持科学合理的原则， 优化抗震功能， 提高设计质量， 不断满足人们日益提高的生活质量要求， 确保人民群众生命财产安全， 最大限度地降低地震带来的经济财产损失， 确保高层建筑混凝土结构安全可靠。