浅谈高层建筑混凝土结构的抗震设计研究

2023-02-22朱颖

建材发展导向 2023年2期

朱颖

（太原市建筑设计研究院有限公司，山西太原 030043）

近年来，由于我国不时出现的一些地震，使得高层建筑结构抗震性能日益提高。如何确保高层建筑在地震作用下取得较好的抗震性能，一直是工程建设中的一个难题。目前国内已建成的许多高层建筑物均为钢筋混凝土结构。在设计中，主要以延性性为重点，因为增加延性可以增强结构的抗震性能，从而增强其抗坍塌性能。建筑物的抗震设计是在经过多年的施工实践和多年的施工经验的基础上，根据房屋结构在地震中受到的损坏而进行的一种基本的设计思路和设计思路，同时也是对房屋和建筑物的总体布局和详细的构造措施的确定。从原理上讲，地震动是一种随机性、复杂性和不确定性的随机振动。建筑结构的地震分析中，我们没有充分的考虑空间的作用，建筑结构的性质，材料的影响，外部环境的影响，都是未知的。因此，建筑物的防震设计不能完全依赖于计算，而是要从防震设计的基础理论和多年的防震实践中得出的结论作为基础，从而达到更好的防震效果。

1 高层建筑物的抗震设计规范

从现有条件看，高层混凝土建筑物具有较好的抗震性能，主要体现在：在低水平的地震作用下，房屋的总体构造不会受很大的冲击，不会出现破坏现象；震级为中度，高层建筑物在后期修复后仍能正常工作；在高震水平下，不存在倒塌的情况。因此，必须从整体上进行高层建筑的抗震设计，采取刚柔相济的方法，使其在结构上具有科学性和合理性，并根据具体的具体条件进行规划。要想达到更好的抗震性能，就必须按照“强简强弯”的要求来进行。在进行高层建筑物的地震反应时，必须要掌握其强度的数值，要对其进行精确的分析和计算，要对所用的材料、设备的相关性能、设备的运行参数、所用的物理和机械的设备性能等信息进行全面的研究[1]。由此可以确定结构的刚度强度，保证结构的抗震性能。同时，关键部件和节点的应力状况，也应引起建筑工程师的重视。

2 高层混凝土结构特征与震害特征

高层混凝土建筑的构造特征：高层混凝土房屋是一种混凝土建筑，其高度在28m以上，而且是10层以上。所谓的高楼大厦，实际上就是一座悬挑的高楼。在高层混凝土结构中，由于横向加竖向加载，所以其高度与纵向作用力基本上是呈直线的。在高层混凝土结构中，其层间的横向变形之间存在着一定的线性增长，而其纵向应力与其所处的位置成正比。从力学性能上看，在横向载荷作用下，随着横向载荷的增大，其高度与弯矩呈现二次方差的关系，而在竖向载荷相同的情况下，随着高度的增大，其作用也会减小。

3 地震中高层建筑物的失效特征

3.1 基础结构的失效特征

而在高楼大厦的地基上，则更易受到影响，由于地基的变形，会产生下沉，从而造成房屋的上半部分的倾斜，而在某些险要的地方，修建的高楼，在地震的时候，地基会产生不均衡的塌陷，甚至产生裂纹，而当建筑物本身的时间与空间的循环频率一致时，就会产生共鸣，从而对建筑物造成严重的损伤[2]。

3.2 结构系统的失效特征

若高强混凝土建筑物采用框架填墙结构，在地震时，其内部框架柱的上部容易出现剪切破坏，而窗洞段由于受外力影响而出现的短柱断裂。在地震中，框架剪力墙的损伤相对轻微。由于底板的刚性很差，在地震时会造成很大的损伤，而采用框支挡结构，由于底板是开放式的，在没有进行墙体施工时，由于其刚性比较差，因此，地基将会遭受很大的损坏。

3.3 刚性失效特性

建筑物的主要构造采用长方形的平面型，当建筑物内的升降机等出现偏心时，在扭振的影响下，将会加剧地震的破坏力。

3.4 各部件的失效特征

在框架剪力结构中，柱会比板、梁更多地受到损伤，而在剪断的窗沿下方部位，更易产生交叉开裂。由于框柱处设有螺杆式箍筋，因此，其层间的位移角较大，因此，结构柱受震时的抗震性更大[3]。

4 高层建筑的抗震设计策略

4.1 合理选择施工地点

在进行高强混凝土结构施工时，必须综合考虑地震和灾情，因此，如何科学、合理的施工地点将直接关系到其结构的抗震性能。只有建立健全的科学原理和正确的选址，才能对建筑周围的地质情况和地形进行有效的勘察和勘探。首先，水泥结构的周围不能有任何危险的设备，比如发电厂、变电站等，第二，必须要远离那些防震能力较弱的区域。

4.2 改善建筑的设计

根据结构工程师的建议，设计的建筑物必须达到现行的抗震性能标准，并且必须能在一定的范围之内进行变形调节，可以增强其延展性，使其回复到原来的水平，从而大大降低了建筑物的整体变形，确保了建筑物的整体性能。为了确保结构结构与纵向重力作用，既要确保结构的应力均匀，又要满足结构的设计刚性，确保结构的结构有条理、不紊乱、有层次、不交错，根据现场地质因素在设计中选用最为合适的抗震措施，必须对核心关键部位要做到严格处理及重视，使结构结构有条理、不紊乱、有层次、不交错，根据现场地质因素在设计中选用最为合适的抗震措施，必须对核心关键部位要做到严格处理及重视，使整体结构达到上到下受力均衡的目的，保证建筑的整体对称，这种重力变化可以很大程度的减少地震引起的横向与垂直方向上的反作用所造成的影响[4]。

4.3 构造的规律化

在进行结构设计时，必须满足结构的规范要求，使其具有足够的抗侧力，从而使其具有足够的稳定性。在建筑物的布局中，采用较为规律性的图案，其原因在于，在任何条件下，这些规律性的图案可以保证在任何条件下，都可以达到平均的承载能力。要避免某些复杂而又变化的建筑物，因为它们的形状很容易造成建筑物的铁芯和铁芯之间的混乱。当遇到震动时，钢筋间距会增大，刚度无法满足，导致房屋坍塌[5]。

4.4 建筑构造的选用

在地震中，高层建筑物的抗震能力主要取决于其结构的材质。实际中，在高层建筑物的抗震设计中，其核心问题是将相关的构件进行整体的延性化，并进行协调工作，以保证在发生地震后房屋的稳定性与安全性。至于钢筋，则要选用强度更高的。对于竖向受压的钢筋，选用HRB335、HRB400等，而箍筋为HPB235，HRB335，HRB40。在选择建材时，一定要对其抗震性能有一个全面的认识。在此基础上，必须对工程造价及费用进行合理的管理。因此，在选择建筑结构时，必须寻找新的地震特性与造价之间的平衡，这样，就可以在最小的材料上达到最好的地震效果。

4.5 考虑到位移，减小了输入地震的能量

对移位问题的观点进行了比较。在国内的建筑物设计中，计算承载力是非常重要的，因此，必须注重计算，运用灵活的方法，对有关的受力进行系统的分析与计算，以确保结构的稳定性与安全性；可以降低结构的侧倾，通过对有关资料的深入研究，综合多个方面的影响，减少输入的震源。因此，在进行工程设计时，必须充分考虑到地震的影响，认真预算、计算和分析各种形式的变形，同时要注重构件的受力，计算层间的侧向位移和整体位移的延性比，从而确保建筑物的安全性和实用价值[6]。

5 对高层混凝土建筑物各层的构造参数设定的探讨并提出措施

在进行高层混凝土结构的预处理前，应全面认识项目选址、地质条件、材料选择、施工专业技术、质量检测等多个因素的综合考虑，建立一个基础的建筑设计架构，利用先进的设计思想和专业技术，设计出可行的方案，并对关键部分进行详细的标注，以便更好地实现抗震，并建立一个系统完善的、详尽的数据库，便于结构工程师从中抽取相关的实例，以便在今后的工作中借鉴。

5.1 应用高延性设计，消震和隔震的方法

目前国内许多高层建筑物的地震反应都采用了延性体。所谓延性结构，就是要对建筑物的刚性进行适当的调整，保证在地震中，房屋的构件能够处于延性良好的塑性状态，在地震的时候，房子可以减缓地震的影响，降低地震造成的伤害，降低经济上的损失。为了降低建筑物的抗震性能，可以使用减震装置，它可以有效地吸取地震的热量，从而减少建筑物在大范围内的震动。在结构上，可以采用框筒结构、筒中筒结构和框-剪力结构等结构进行地震反应。如果投资充足，可以选用钢筋混凝土结构、钢管混凝土结构、钢筋混凝土结构，这三种结构形式中的一种，既可以减少截面的大小，又可以提高结构的地震响应能力。在过去，高层建筑的抗震设计都是以刚性为主，但是在近代，却是以柔韧为主导，达到了以柔克刚、刚柔并济的目的，既可以减少地震的影响，又可以减少对高层建筑的损伤。

在一些高层建筑物中，隔震消能和减振的设计要求十分苛刻，为了达到普遍的地震作用，还应达到消能隔振的目的。因此，要实现以上目的，必须要合理选取基础及场地，选用密度高的基础，才能有效降低结构在轻微的地震中受到的破坏，降低共振的可能性。建筑的抗震性能随建筑结构的变化而变化。因此，在进行建筑物结构的规划时，一定要结合具体的具体条件，选择合适的隔震支架，并对风荷载的影响进行全面的分析。对于具有消能和隔振要求的结构，采用具有良好韧性的材质，能保证结构在地震中受到的损伤减小。

5.2 改善建筑设计的计划

结构工程的设计，必须要达到国家有关的抗震标准，保证建筑物的主体结构可以进行调整和变形，并且在这种弹性的影响下，它可以自行的将其还原成原来的样子。通过这种方式，可以极大地减弱因主体的变化对建筑物的负面影响，从而使其在较长时间内维持一个稳固的、稳固的平衡。在估计不同水平的地震作用下，应对各建筑物的布置要素进行科学、合理的布置，以保证其整体的均衡。要保证它的平衡匀称，达到刚性的要求，要尽量保证结构的条理性、层次性，按照实际情况在设计中加入相关的预防地震措施，严格处理和应对结构中重要的预防地震措施以及重要的细小部分，让整体结构自上而下所要承担的压力都是均匀的，这样才能保证建筑物的平衡。这样一个简单的改变，就可以抵消掉地震的横向和垂直方向的无规律力量，从而起到一定的减震作用。

5.3 抑制扭转作用

在不同的荷载作用下，水平作用、垂直作用和扭转作用三大类，这些作用组合在一起，造成的破坏是无法估量的。地裂、房屋倒塌、地形的剧烈变化，都是随时都会发生的事情，所以这里的环境并不是那么的稳固。这就给高层建筑的抗震设计提出了新的需求，着重考虑了地震引起的扭振效应，并提出了相应的结构变形准则，在选择的时候要考虑最大的变形量和减小最小的带点刚性，保证结构的总体位移的协调性，保证每个环节都符合设计的要求，一旦出现问题，就要进行相应的修正，尽量减少因地震的扭曲造成的不利后果，从而提高大楼的抗震性能。

5.4 增加抗震设防

高楼大厦的抗震结构是多个连续单元，每个单元之间都有协同作用，比如框剪结构就是将剪力墙和框架分开而形成的多腿剪力墙结构，一般在大震之后都会产生余震，因此，如果仅设一条防震防线，那么当余震造成的时候，这条防御线将会对高层结构造成严重的损坏，严重的话，可能会导致房屋的坍塌。在此基础上，设计者应注意构造单元的防震系统，以确保在同一平面上的主构件发生屈曲，其余各受力构件均为弹塑性变形，从而增加其有效屈服期，从而使其具有增强的韧性和抗侧倾性能。在进行房屋的地震反应时，有一些结构的抗侧位移，由于建筑物的设计数值过大，导致其它的结构构件的抗侧移不足，因此在进行地震分析时，应考虑到局部构造的横向位移，并考虑到各部位的加劲性。

5.5 常用的补强方案

为了提高房屋的抗震性能，必须根据实际情况采取相应的加固措施，选择的加固方式必须考虑以下几个方面：一是在结构上存在错误或有瑕疵，应根据实际情况加以加强，或者选择具有更高的抗震性能的部件。为了改善结构的整体刚性和承载能力，可以采用套箍、增大原有截面、增大部件等措施。一般建筑物整体联接不能达到抗震设计的标准，需要对其进行有针对性的调节，减少破坏，使地震荷载分布均匀。为了防止在地震中造成损坏，必须加强与房屋结构无关的部分。因此，在进行高层建筑的地震防震设计时，要充分利用对建筑物本身已有的认识，并根据其对地震作用的认识，对其进行综合评价、甄别、选择等处理，并进行相应的计算与构造，以消除其弱点，使其具有更好的防震效果。