高層建筑結構基于性能抗震設計探究

摘要：近幾年，我國的城市人口不斷增加導致建筑用地日益緊張，因此，高層建筑迅速發展。且近幾年來地震頻發，嚴重威脅著人類的生命安全，是一種破壞性嚴重的突發性災害。為了減輕地震造成的人員傷亡及財產破壞，就必須對高層建筑進行抗震設計。因此高層建筑的抗震性能一直是施工和設計的重中之重。對建筑結構的抗震性能設計進行理論分析和研究，是目前建筑工程防止災害發生的重點問題。

關鍵詞：高層建筑；抗震性能；結構設計

為了抵御或減輕地震災害，必須提升高層建筑的抗震能力。地震具有不確定性、循環性和隨機性，目前難以在災害發生前預測地震的參數和特性。在地震破壞中，建筑物的破壞也是十分復雜的。因此，抗震性能的設計中不能僅依賴于計算設計，還應立足于災害經驗和工程經驗所形成的建筑抗震概念。從而實現在地震中大震不倒、中震可修、小震不壞的抗震能力。

1 高層建筑的抗震設計基本原則

第一、高層建筑結構構件的抗震性能。作為抗震結構的建筑構件應具備較強的剛度、穩定性、延性和承載力等方面的性能。結構構件在建造中應遵循強剪弱彎、強柱弱梁和強節點弱錨固的基本原則，承受豎向載荷的構件不應作為主要的耗能構件，對可能造成結構相對薄弱的構件，應當采取提高抗震能力的措施加強抗震性能。

第二、高層建筑抗震體系的建立。一個良好的抗震機構體系是由若干個結構完善的分體系構成的，為了提高建筑物的抗震性能，應當盡可能多設置幾道抗震防線，同時由延性良好的分支構件連接參與協同工作。往往在強烈地震之后伴隨多次余震，若只有一道抗震防線，在經過第一次破壞后遭受余震將會因損壞程度的積累而導致高層建筑結構坍塌。因此高層建筑的抗震體系應具備最大數量的外部、內部冗余度，建立一系列有意識的分布屈服區，適當提高主要耗能構件的延性和剛度，使結構能夠消耗和吸收大量地震能量，提高建筑結構的抗震性能，避免在地震中出現倒塌事故。適當的處理各個結構構件之間的強弱關系，在同一樓層內應當使主要耗能構件產生屈服后，其他的抗側力結構構件處于彈性狀態，盡量延長有效屈服的保持時間，保證結構的抗倒塌能力和延性。在高層建筑的抗震設計中，如果某一部分性能過強可能會造成其他結構部位結構相對薄弱，引起抗震受力不均衡。因此在高層建筑結構的設計中不合理加強、以大代小以及改變抗側力配筋構件的做法都需要進行慎重周密的考慮和計算。

第三、高層建筑薄弱環節抗震能力的提高。構件在強烈的地震沖擊下不存在強度的安全儲備，它的實際承載能力是以薄弱部位的承載能力為基礎的。要使高層建筑結構的實際承載能力與設計計算的受力比值總體保持在相對均勻變化的狀態，當樓層比值發生突變時，由于塑性內力分布的變化導致塑性變形集中。應當注意防止局部受力的加強而導致忽視整體結構的承載力和剛度的協調。在高層建筑的抗震設計中有目的、有意識的控制結構的薄弱部位，使其具備足夠的形變能力，同時又保證薄弱部位不能發生轉移，這是提升高層建筑總體結構抗震性能的有效手段。

2 提高高層建筑抗震性能的具體措施

在具備抗震性能設計要求的建筑結構建造中除了應當滿足剛度、強度要求外，還需要滿足延性需求度。鋼筋混凝土材料本身的自重較大，因此高層建筑結構的底層柱部分會隨著高度增加，同時增加它所承擔的軸力，而高層建筑的抗震設計中對結構構件的延性有明確的要求，如果建筑物層高一定，要想提高結構延性需要將軸壓比控制在一定范圍內，如果軸壓比過大會導致柱截面增大，甚至形成短柱或超短柱。然而，短柱和超短柱的延性很小，有些超短柱甚至沒有延性，當建筑物所遭受的地震強度高于本地區的設防烈度時，將有可能發生建筑物結構剪切破壞，從而造成建筑物結構破壞或坍塌。因此提高高層建筑物的抗震性能主要方法是加強短柱的抗震能力。混凝土短柱延性除了受軸壓力影響外，箍筋的形式和配筋率也對混凝土短柱產生很大的影響。位于高層建筑物結構底層的混凝土短柱的軸壓比非常大，其塑性變形能力比較小，一旦產生破壞將會呈現脆性破壞。因此，提高混凝土短柱的延性是提高其抗震性能的主要方法。為了提高高層建筑混凝土結構的的抗震性能，應當從以下幾個方面實施抗震設計。

第一、提高高層建筑短柱的抗壓力和承載力。能夠提高剪跨比，減小柱截面，從而改善建筑物整體結構的抗震性能。實施該措施的最直接方法是采用強度等級較高的混凝土材料降低柱子軸壓比，從而提高受壓承載力。但是高強度混凝土材料的本身延性較差，因此在使用時需慎重使用或與其他措施配合。除了提高混凝土等級外，使用鋼管混凝土柱以及鋼骨也可以提高短柱抗壓力和承載力。同時認真判斷分析設計數據，確認數據的有效和合理后，才可以應用于工程設計和施工。

第二、高層建筑結構采用鋼管混凝土柱。鋼管混凝土是一種套箍混凝土的特殊形式，由于鋼管內混凝土受到側向約束力，導致混凝土處于一種三向受壓的狀態，使混凝土的極限壓應變和抗壓強度都有很大的提高，尤其是高強混凝土延性提高效果非常明顯。由于鋼筋既是橫向箍筋，又是縱筋，因此當選擇了高等級混凝土以及合適的套箍后，建筑物的柱子承載力將會大幅度提高，消除了結構中的短柱并且具備了良好的抗震性能。

第三、高層建筑結構采用分體柱。短柱的抗剪承載力比抗彎承載力小很多，因此在地震破壞下通常是由于剪壞而導致失效，抗彎強度還沒有完全發揮。因此在高層建筑結構的設計中可以消弱短柱的抗彎強度，使其略低于或等于抗剪強度。可以通過沿短柱的豎向設縫將短柱分成2—4個分體柱，在組成分體柱的支柱間設置連接鍵，增強支柱的后期耗能和分期剛度。

3 總論

第一、高層建筑抗震性能設計研究的結論。從抗震設計理論提出至今，世界各國工程界和抗震學術界取得了許多新的科技成果，在設計方法上也改變傳統的單一力學抗震設計方法，嘗試了基于位移和性能等方面的新型設計理念。抗震理論和計算機科學不斷發展，新的設備和施工技術也不斷涌現，為高層建筑抗震性能的發展提供了必要的技術條件。與此同時，我國的高層建筑結構基于抗震性能的設計與探究也在不斷向前發展的過程中，同時完善自身的不足之處。

第二、高層建筑抗震性能設計研究的意義。目前，高層建筑結構共同工作理論的發展與研究使建筑抗震設計進一步完善。如果能夠在地基與結構的動力響應、材料特性、穩定標準和計算理論等方面進行符合實際情況的發展，將會在在高層建筑抗震性能研究領域起到重要的作用。

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