高层住宅建筑结构的抗震优化设计策略研究

张丽英 菏泽市排水服务中心

1 前言

经济的不断发展带来了我国建筑结构的不断升级，人们对高层混凝土建筑抗震性的需求越来越大，如何进行抗震结构设计已经成为摆在领域从业者面前的重难点问题。本文对有关问题进行了分析，将地震结构设计与具体实践相结合，从而为相应问题的解决提供了一定建议。地震对高层混凝土建筑的破坏可分为四大方向，地基破坏、结构体系破坏、刚度破坏、构件破坏。若建筑整体处于柔弱土层上，则易发生地基破坏，这是由于地震中土体液化会导致基础沉降的发生，致使高层混凝土建筑上部出现倾斜、地基发生不均匀沉降现象，同时使建筑物产生裂缝。而结构自身的结构周期与场地周期相一致时更会发生共振效应，导致更为严重的结构破坏状况发生。

2 高层混凝土建筑抗震结构设计的主要原则

2.1 建筑结构合理性原则

在实际建设过程中，设计人员需要有效结合目前建筑物的真实情况，选择较为合理的构建方式。一般来说，设计人员在确定整体结构之后，采用系统化的方法分析结构。不同的建筑物之间存在差异，建筑物的构件也会存在一定的差异，但是在实际选择过程中，设计人员必须按照结构合理性原则来选择。建筑物自身能够对一部分刚度较差的梁体结构起到稳定支撑作用，部分需要承受竖向荷载的构件不能转变为耗能构件，这是因为竖向结构十分脆弱，容易产生受力不均匀的情况，当发生地震时，部分位置容易坍塌。

因此，所有构件都应该具有很强的延性，设计人员不仅要考虑工程近况，还要充分考虑工程后续发展情况。

2.2 建筑环节不同的抗震防线原则

在高层混凝土建筑中，对于抗震防线而言，设计人员在不同的工程环节中需要进行不同的工程设计与资源配置。对高层建筑工程进行分级，在比较脆弱的位置设计多个抗震防线，这样即使发生地震，也会有效防止连带问题。如果只是单一地设置一道防线，一旦发生余震，就有可能导致灾情的进一步恶化。构件之间的强弱关系也可以视作弹性变化的有效关系，在主体构件遭受一定的冲击之后，第一道防线就会被完全突破，由于后面防线与第一道防线存在一定的受力距离，因此第一道防线不会直接对第二道防线造成影响，有效保证了建筑物的安全性。

2.3 建筑不同部位的抗震设计原则

对于一些具有强弱关系、距离过大的位置，设计人员需要合理应用不同的抗震设计结构。相关设计人员必须在开展结构设计工作之前，进行受力试验，充分考虑并结合每个构件的承载能力，准确判断局部构件的承载能力是否符合荷载要求。但是，除了局部构件的稳定性需要再次确定以外，整体构件的稳定性不能因为局部构件的稳定性增强后而受到忽视。简单来说，局部构件的受力效果、刚性程度、承载力的协调状况都需要根据构件形式的不同进行适度调整。另外，需要有效保证局部构件受力均匀，不能因为某个部位承载力较弱，就减小此部位的强度，这会增加其他部位的荷载，当发生地震时，就会影响整个建筑物的稳定性。

3 建筑抗震概念设计概述和意义

建筑结构设计一般会从计算设计和概念设计两个方面展开。建筑结构设计需要在完善信息和数据的基础上进行结构的搭建，但是因为地震的发生有不可预测性，在实际的建筑设计中不能通过准确计算来设计建筑的具体抗震等级，所以在设计的过程中一般会引用模拟地震情况统计出相关的参数，从而实现对建筑结构的科学计算，得到对应的抗震结构，保证建筑的抗震等级。

目前，我国在抗震建筑设计层面展开了多年的研究，取得了较大的进步，有效降低了地震的危害，保护了人民的生命和财产安全。但是对地震规律的把握还不是很完善，还需要大力研究建筑工程结构的抗震效果，各地区也应该结合自己本地的地质情况作出相应的建筑抗震标准。人们对建筑结构抗震的要求越来越高，对于建筑设计师来说，怎样提升建筑结构的抗震级别成为重要的研究课题。因此加大抗震研究的经费投入，让建筑设计者有更好的研究环境，对于促进建筑的抗震能力发展十分必要。

4 高层混凝土抗震结构设计的优化实践

4.1 优化高层混凝土建筑抗震结构设计

高层混凝土建筑结构设计过程中，优化抗震结构在对工程造价产生影响的同时能够有效强化抗震效果，设计开展过程中需综合高层混凝土建筑的功能要求、使用指标，在严格规范制度的前提下践行目标。优化过程中有多种结构类型可供选择，如剪力墙、框架结构等，在结构类型选择的实践过程中，需综合社会效应、工程造价的基本要素，融合经济学考量、美学欣赏的设计要素，选择与建筑类型及要求相适宜的抗震结构体系。优化工作需从规划设计着手展开，这首先要求混凝土高层建筑平面结构设计得干净、对称、整齐，其次应在定量分析基础上对混凝土结构抗震性能展开体系研究，从而对其整体性能进行明确，并通过对结构特征、剪力墙方案、布置方法的确定，实现高层混凝土建筑抗震结构的优化。例如，对抗震结构的基础结构进行设计优化时，应从以下几方面着手。

首先，要做到相同结构单元在性质一致基础上的有效布置，这要求在面对新填土、液化土、橡皮土等具有不均匀承载力的土层时，应采用一定措施使基础结构的整体性及刚性得到有效提升。如以基础结构的整体性为例，可以通过钢筋混凝土圈梁、调整构造柱的方式，不仅可以抵抗基础不均匀沉降引起墙体内产生的拉应力，同时还可以增加房屋结构的整体性，防止因振动产生的不利影响，并且在设置圈梁时，还需要连续地设在同一水平面上，并形成封闭状，从而提升基础结构的整体性。不仅如此，还可以把可用沉降缝在适当部位将房屋分成若干刚度较好的单元，把沉降缝的基础分开，并在房屋四角设钢筋混凝土构造柱，并且从柱里抽出水平钢筋与砖墙拉结，以确保地基能够有效承载。

其次，在设计过程中，要合理运用底框结构，虽然这一结构兼具经济及实用性，但这一结构刚度分布不均匀，易出现头重脚轻等情况。使得地震发生时建筑整体易发生不均匀变形，其抗扭性能并不能达到设定标准，故而使得房屋裂缝及倒塌情况更易发生。因此地震发生较为频繁的区域不宜运用该结构，或即便运用也应辅以其他结构设计，以确保框架结构上下刚度的协调均匀。

第三，抗震建筑的整体结构设计作为建筑建造的第一步，其完备性、系统性、功能性程度决定着建筑抗震性能的底色。故而设计过程中设计人员应全面勘察了解高层混凝土建筑的施工情况，包括具体施工工艺、应用材料、预期建设位置、地质地貌等要素，并形成调研报告，以此明确设计过程中的重要节点，在提升高层混凝土建筑抗震性的同时，实现主体建筑与客观环境的协调性和一致性，因地制宜地开展设计工作。

最后，设计团队应搭建起抗震结构设计的数据库，记录地震中发生损害的有关建筑，并比照其原本结构进行地震损害方式、结构塌陷过程的逆向还原，以此为后续抗震建筑的设计提供有益参考与启发。在实际构建数据库的过程中，主要通过三维成像技术，构建虚拟的数据模型，在满足全面观察的同时，还可以结合演示模式，模拟演示建筑在地震中的实际情况，有效加强设计的针对性和有效性。尽量实现科学合理的力学模型搭建，进而充分利用主拉应力、剪摩理论，搭建尽可能合理的抗震结构。

4.2 充分了解周边环境，因地制宜展开设计

高层混凝土建筑的设计建造过程中，应将对地震等有关自然灾害的预防囊括在结构设计过程中。故而，合理选择建筑位置，能够显著提高相关结构的抗震能力。位置的选择应依托于相应科学理论，并在对备选位置周边地形、地貌进行广泛勘探后，挑选适合位置后开展工程建设。这期间应注意高层混凝土建筑周边不应出现变电站、发电厂等安全不稳定因素，并尽量将位置选择在平缓地带，避开山坡、沼泽等不利于抗震的地点。

结构设计方案的制定应在国家有关标准体系框架内，而实际施工过程中的结构自身应具备一定的空间调节能力。以确保外力影响下结构建筑结构具备一定的结构延伸能力，具有依托记忆形状恢复至先前形状的能力。这一做法能够有效增强结构的抗震性能，并以这一延展性方案延长建筑的耐久性。同时评估建筑整体重力是否均匀分布，评估过程需遵循重力均匀对称的分布原则，利用合理的检测设备和技术，全面评估和了解建筑的整体重力，从而为后续设计提供基础与前提，有效提升高层建筑的抗震性。

在评估结果参考，针对重力分布不均匀的前提，通过依照地形地质特点实时调整建筑的重力分布，从而有效捕捉建筑重力的变化规律，引导其中的不规则力，以有效提升建筑整体抗震能力。地震发生时由于其地质表层产生的应力呈现不均匀分布态势，故而作用于地基时这类不规则力会对地基构型产生扭转撕裂作用，并向上传导使得建筑整体发生扭曲变形，进而导致建筑坍塌情况的发生。

4.3 科学设计地下室外墙

建筑结构设计时需要考虑建筑实施区域的情况。面临各种实际情况下，都要从建筑质量性能、建筑安全可靠性等原则出发，通过适当增加和改善建筑结构来应对不同的施工挑战。地下室是建筑结构中十分重要的结构和功能区域，它不仅能增强建筑的稳定性和防水性，而且可以作为建筑的重要功能区域。地下室外墙设计要考虑到建筑承重和防水等要求，在建筑结构设计中要优化处理地下室外墙的厚度、材料等细节。

地下室外墙厚度应与建筑的整体结构规模相匹配，如超高层建筑地下室外墙厚度应比普通高层地下室外墙厚度适当增加。在建筑地质结构中如果为软土土层条件，在设计方案中也应考虑增加外墙厚度，以增强建筑结构的稳固性。在建筑区域存在较高的地下水位时，地下室外墙结构设计应采用防水防渗、隔潮的材料进行地下室结构施工。建筑结构设计应做好各种数据标记，地下室结构尺寸和距离应综合考虑建筑规模和建筑结构的特点，并从抗震等细节方面着手，通过合理的设计提高建筑物的抗震等级。上述是建筑结构设计中需要细化考虑和实践的内容，也是对建筑结构设计能力的一种考验。

4.4 抗震性能分析与设计措施

根据（建质〔2015〕67 号）《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定，需进行结构高度、一般不规则性、特别不规则抗震超限检查。综合三项超限检查结果。

（1）参照GB 50011—2010 第5.1.2 条，采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。采用时程分析法时，根据建筑场地类别选用2 组实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线，保证所选时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符；弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。楼层地震剪力取时程计算所得最大值与振型分解反应谱法计算结果进行包络设计，保证各构件满足多遇地震弹性要求。

（2）采用PKPM软件进行罕遇地震静力弹塑性时程分析，检查构件和整体结构的损伤情况，对重要和薄弱部位提出加强措施。

（3）科学设计结构抗震体系，设置多道抗震防线。在高层住宅建筑结构设计过程中，应当科学设计结构抗震体系，应当将安全性放在首位，要保障高层住宅建筑结构的稳定性。为提高抗震体系设计水平，需基于高层住宅建筑所在区域的特征，以及该区域地震灾害的发生概率，制定适宜的设计方案，与此同时还需要考虑经济性，尽量在预期成本资金投入范围内完成。如若条件允许，可以于高层住宅顶层中铺设橡胶层，其能够有效缓冲地震灾害引发的外部冲击力，减轻高层住宅建筑所要面对的外力，使之承受力得到大大提升，取得较好的抗震效果，维护居民的生命财产安全。要根据高层住宅建筑结构的实际情况，设置多道抗震防线，尽量提高结构的抗震性。需要将抗震体系当作是一个整体，选择具有一定延性的、优质的构件，将其作为高层住宅建筑结构抗震的第一道防线，每一个构件都需要有一定的自我保护能力，等到第一道抗震防线屈服后，后面的防线才会屈服。如若地震等级比较大，其外部冲击力机会增大，具有较强的破坏性，当地震防线被冲破后，还有多道防线能够对高层住宅建筑结构进行保护，以避免其受到严重损坏。

5 结束语

综上所述，对高层住宅建筑结构设计的过程中，首先应针对抗震展开设计，综合考虑建筑结构构件的稳定性、承载能力，以及刚度等建筑性能，并对于结构中相对薄弱的部位进一步加强抗震措施。使建筑结构形成一个完整的抗震结构体系，从而达到高层住宅建筑良好的抗震效果。只有建筑物的整体抗震能力达到标准，才能够抵抗地震灾害。