高层建筑混凝土结构设计中的抗震设计

摘要：随着城镇化的快速发展，高层建筑的需求不断扩大，而我国地震频发，高层建筑抗震设计已作为最核心的要求之一。传统的抗震设计方法遇到了前所未有的挑战，如何提高这些建筑的抗震性能成了一个迫切需要解决的问题。根据最新的抗震设计研究理论，提出了一系列有效策略旨在提升高层混凝土建筑的抗震能力设计，确保高层建筑在面对地震作用时的可靠性与安全性，保障人民财产安全。

关键词：高层建筑抗震设计策略概念设计

中图分类号：TV331

AseismicDesignintheDesignofConcreteStructuresforHigh-RiseBuildings

WANGTaijun

GuizhouBranch，NORENDARInternationalLtd.，Guiyang，GuizhouProvince，550081China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofurbanization，thedemandforhigh-risebuildingscontinuestoexpand，earthquakesoccurfrequentlyinChina，andtheaseismicdesignofhigh-risebuildingshasbecomeoneofthemostcorerequirements.Thetraditionalmethodsofaseismicdesignhaveencounteredunprecedentedchallenges，andhowtoimprovetheanti-seismicperformanceofthesebuildingshasbecomeanurgentproblemthatneedstobesolved.Basedonthelatestresearchtheoryofaseismicdesign，thisarticleproposesaseriesofeffectivestrategies，aimingatimprovingthedesignoftheanti-seismiccapacityofhigh-riseconcretebuildings，ensuringthereliabilityandsafetyofhigh-risebuildingsinthefaceoftheearthquakeaction，andensuringpeople'spropertysafety.

KeyWords：High-risebuilding;Aseismicdesign;Strategy;Conceptualdesign

高层建筑随平面及竖向规则程度、结构体系、高度等差异，地震力作用的复杂和剧烈程度也不同。有效的抗震设计能够确保结构在地震发生时适当地吸收和分散地震能量，减少建筑物的损伤，延长建筑使用寿命，并最大限度地减少人员伤亡。通过综合运用先进的概念设计、抗震计算、构造措施，能够显著提高结构的抗震性能，为高层建筑的可靠性和安全性提供保障。

1高层建筑混凝土结构抗震设计的主要挑战

1.1横向作用分析与控制的复杂性

随着建筑高度的不断攀升，结构对横向作用的敏感度也随之增加，这会直接影响到建筑的稳定性和安全性。地震引发的横向作用具有强度大和高度不可预测性的特征，这使得准确评估和应对这些作用成为一个极具挑战的任务。尽管有多种理论和计算模型被提出和应用，但它们在面对实际复杂情况时往往难以完全适应[1]。

由于高层建筑的动态特性与低层建筑截然不同，传统的抗震设计方法往往难以直接适用。同时，高层建筑的多样化和复杂化也带来了新的问题，例如：不规则形状和功能要求对结构设计的影响，以及如何在保证安全性的同时还能满足美观、经济和功能的需求。这些问题的存在使得横向作用分析与控制成为一个多方面、多层次的复杂问题，需要跨学科的知识和技术来共同解决。

1.2与实际状况的结合度不够

抗震设计是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素[2]，包括结构的力学参数、工程项目的地理位置、地质条件以及地形地貌等。然而在实际操作中，理论模型往往很难完全贴合实际情况。一方面，理论模型无法完整地考虑到所有的地质和环境变量；另一方面，实地条件的复杂多变也使得理论计算难以准确模拟建筑在真实地震中的表现。

1.3结构刚度与质量分布的优化问题

结构刚度与质量分布的优化问题的核心在于如何平衡结构的稳定性与灵活性，确保建筑在地震作用下既能有效抵抗倾覆和侧移，又能适当地消散能量，避免因过度刚性而导致的脆性破坏。结构刚度不足容易导致建筑发生过大的侧向位移，从而影响结构的整体稳定性和使用功能；而过高的刚度则可能在地震作用下导致应力集中，增加局部破坏的风险。同样，质量分布不均匀也会对建筑的抗震性能产生显著影响。理想情况下，建筑的质量应该根据其刚度分布进行优化，保证在地震作用下的动态响应是均匀和可控的。然而，实际建筑设计中的许多因素，如功能需求、建筑形态和材料使用，往往会导致质量分布的不均匀，增加设计和优化的复杂性。随着建筑高度的增加，结构的动力特性变得更加复杂，不同楼层的加速度和位移响应可能会有显著差异，这就要求设计师不仅要考虑每个楼层的刚度和质量，还要考虑它们如何在整个结构中分布和相互作用。

1.4抗震性能与建筑高度增加的关联性挑战

随着建筑高度的不断提高，对地震的响应机制也变得更加复杂。一方面，高层建筑由于其较高的自振周期，对远场地震的响应特别敏感，这就要求在设计中必须考虑到不同类型地震波的影响；另一方面，随着高度的增加，建筑的风荷载也会显著增大，需要在抗震设计中进行综合考虑。这些因素的综合作用使得高层建筑的抗震设计变得更加复杂，需要精确地计算和详细地分析来确保结构的安全性。

2高层建筑混凝土结构抗震设计的有效策略

2.1精确的横向作用动力分析

现阶段，时程分析作为一种能够提供更为精确模拟地震影响的方法，被广泛认为是优化高层建筑抗震设计的有效途径。时程分析能够考虑地震作用的随机性和非线性特征，通过输入实际地震记录或合成地震波，模拟结构在特定地震作用下的响应，这种方法可以提供关于结构反应的详细信息，如各楼层的位移、加速度以及构件的内力等，帮助设计师评估结构在地震中的表现，并据此做出更合理的设计决策。尽管时程分析在理论上能提供精确的分析，但其准确性在很大程度上依赖于输入参数的选择和地震记录的代表性[3]。因此，选择合适的地震记录，考虑区域地震活动性的特点，以及合理评估结构的动力特性，对于确保分析结果的准确性和可靠性至关重要。

实施精确的横向作用动力分析还需要考虑到结构的非线性行为。高层建筑在强烈地震作用下可能表现出复杂的非线性特性，如材料的非线性、大变形效应以及构件的屈服和破坏等。这些非线性行为对结构的响应有显著影响，不能被忽视。因此，高层建筑混凝土结构的抗震设计需要采用能够捕捉这些非线性特性的动力分析方法，如非线性时程分析。通过考虑结构的真实行为，非线性动力分析能够提供更为真实的结果，帮助设计师更准确地评估结构的抗震性能，并据此制定更有效的抗震措施。

2.2加强理论与实践的结合

在高层建筑混凝土结构的抗震设计中，加强理论与实践的结合是提升设计质量和确保结构安全的关键策略。理论为抗震设计提供了基础和指导，而实践则是验证和应用这些理论的标准。虽然现有的理论和计算模型在某种程度上能够模拟建筑在地震作用下的行为，但其往往基于理想化的假设和简化的条件，无法完全捕捉到真实复杂环境中的各种因素，如地质条件的多样性、建筑材料的非均匀性以及施工过程中的偏差等。这就要求在设计中不仅要理解和掌握理论知识，还要考虑到这些实际因素的影响，确保设计的准确性和可靠性。抗震设计的实践也在不断发展和变化，随着新材料、新技术和新规范的出现，原有的理论和方法可能需要更新和改进，这就要求设计师保持持续学习和创新的态度，不断吸收新的知识和经验，将最新的研究成果和实践经验融入设计中。

为了加强理论与实践的结合，需要提高理论的适用性和灵活性，这意味着在开发和选择理论模型时，不仅要考虑其科学性和准确性，还要考虑其对不同条件的适应性。如通过引入更多的变量和参数来模拟实际复杂环境的影响，或者通过采用更加灵活的设计方法来适应不同的设计需求。

2.3重视抗震概念设计

2.3.1结构平面布置刚度应均匀，减少扭转

抗震构造的平面配置应简洁、均匀，避免出现过多凸凹不平的设计，尽量保证平面的刚性分布均衡，即力学中心应与重心接近，此举可以有效降低地震引发的扭动效应。扭动对建筑的损害极为严重，为减少由结构扭动所导致的损坏，通常从两个方面着手：一方面是降低地震诱发的扭动，另一方面是提高结构对抗扭动的能力。其中，平面刚性是否均匀直接影响到地震是否会引起扭动或者造成扭动破坏，而决定刚性均衡的关键在于剪力墙的配置，剪力墙不宜只集中在建筑一侧，否则在地震中易造成大的扭曲。剪力墙或井筒的对称设置有助于降低扭动。结构周围布置剪力墙或设置大刚性的框架筒，均是提高抗扭刚度的有效策略，有利于抵御扭动[4]。为减轻地震下的扭曲，还需关注平面上的重量分布，重量的偏心容易引发扭曲，重量集中在外围同样会增加扭曲。

2.3.2结构沿竖向刚度应均匀，避免软弱层

结构应设计为自下而上宽度一致或逐渐变窄，以保证结构的侧向刚度沿高度均衡或逐步减少。竖向刚度的均匀性，主要与剪力墙的配置相关，例如：如果在中楼层去除剪力墙，或在某一楼层增设刚度较高的实腹梁或转换构件，都可能导致该楼层及其相邻楼层的刚度突然下降或增加，这样的突变会引起地震反应异常，从而带来潜在风险。建筑立面如果存在显著的缩进或顶部有小面积凸出的小房间，使得建筑外形沿高度发生变化，或者为了扩展空间在顶部减少柱子或剪力墙，都可能导致结构顶部基层的刚度突然减小，这种情况可能增强地震时的鞭梢效应，顶部的侧向形变过大亦可能引致结构损坏。

2.3.3预先估计结构的破坏形态，调整承载力以加强或削弱

在结构设计中，各层的承载力应从底部至顶部逐步减小，这种减小应根据地震作用下的内力分布图来确定，以此避免形成承载力不足的层。地震时构件内力的分配依赖于振型的组合，这种组合可能导致力的不平衡，因此在钢筋配置时不能仅依赖于内力组合的结果，而应从设计的初步阶段就确保上下层构件承载力的平衡，避免某一层的承载力突然降低。在设计过程中，应尽量预测结构可能出现的损坏位置，并在更为复杂的结构中通过概念性分析以及计算来估计可能受损的关键部分。

结构工程师需预见并规划出合理的破坏模式，并通过调整内力来控制这一破坏过程。例如，在某些区域可以通过设计使构件提前进入屈服状态，而在其他部分则故意增强其承载能力，延迟屈服或破坏的发生。这种策略如“强柱弱梁”便是一种有意识的控制手段，目的是使框架结构能按照有利于抗震的梁铰机制顺序发生屈服。此外，也可以选择增强某些框架或关键部件的承载力，确保它们即使在强烈地震中也能保持完整，或者有意减弱某些部分的承载力，使其在震动中先行形成塑性铰，从而保护周围的重要结构部件不受损害。

2.3.4设计多道设防结构一超静定结构体系

在抗震设计中，建筑必须采用超静定结构体系，这种结构能够在多个点产生屈服或破坏。通过实施多层次的防护措施，即使部分结构发生屈服或损毁，也只会影响到结构的一部分超静定程度。在设计过程中，对结构可能屈服或破坏的位置进行精确分析和控制极为关键，确保按照预定顺序逐步引发屈服和破坏[5]。结构中的某些区域可以设计为允许发生屈服甚至破坏，而其他关键区域则应设计为仅可屈服，不得发生完全破坏，部分关键结构位置则需设计为不发生屈服，这样的措施确保了结构在遭受地震冲击时的稳定性和安全性。

3结语

随着抗震设计理论的发展以及建筑智能化的普及应用，高层建筑的抗震设计将得到更加精细化的动态分析，抗震模拟分析更加成熟，将进一步提升抗震设计的准确性和可靠性。在实际工作中，需要结构工程师加强理论与实践的结合，认真分析理论的实用性，保持持续学习和创新的态度，提高抗震设计水平。

参考文献

[1] 卢俊杰.超限高层建筑的特点及抗震设计探索[J].工业建筑，2023，53（4）：216.

[2] 花炳灿，安东亚，闫锋.9度区某超高层结构抗震与减震设计研究[J].地震工程与工程振动，2023，43（1）：149-158.

[3] 朴贤日，崔帅，刘勇，等.预应力框架结构在强震作用下的抗震性能研究[J].地震工程与工程振动，2022，42（3）：200-208.

[4] 郑七振，李会炎，龙莉波，等.基于超高性能混凝土连接的装配式剪力墙抗震性能试验研究[J].工业建筑，2021，51（9）：82-89.

[5] 朱浩东.高层混凝土建筑抗震结构设计关键要素探究[J].城市建设理论研究（电子版），2023，（17）：63-65.