關于高層混凝土建筑結構的抗震設計探討

陳英鵬

（佳木斯市建筑設計研究院，黑龍江 佳木斯 154002）

1 高層混凝土建筑抗震結構的抗震性能的研究

高層混凝土建筑抗震的基本理論分為三個部分：擬靜力理論是假定建筑結構為剛性，地震力的大小相當于建筑結構的重量乘以一個定量的比例常數；反應譜理論是以強地震動加速度的觀測和對地震地面運動特性的了解；動力理論是把地震看做一個時間過程，選擇有代表性的地震動加速度作為地震動輸入，觀測建筑物每一刻的地震反應，進而知道高層建筑的抗震設計工作。

2 高層混凝土建筑抗震設計中需要注意的問題

從高層混凝土建筑地震的形變特征來看，由于地震造成的結構破壞有兩種原因：一種是一次超越型，即由于地震振動引起的結構位移超過結構的變形承受的能力，最終使結構的強度下降導致高層建筑在地震作用下倒塌；另一類是反復損傷型，在地震的作用下引起結構的彈性和塑性變形循環，結構因損傷累積以及低周疲勞效應而破壞。高層建筑的防震底盤和裙房頂面與主樓相接處面積突然減小時，即相鄰樓層質量突變較大時，則造成反復損傷類型的地震損壞；建筑結構的平面布置不合理，電梯井等抗側力構件存在偏心的布置，因發生扭轉振動而使震害加重，就導致建筑結構的反復損傷。鋼筋混凝土結構在整體設計上存在較大的不對稱性，鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會出現斜向或交叉裂縫，使得這些結構存在著層間屈服強度。在強烈地震作用下，結構的薄弱層率先屈服，彈塑性變形急劇變大，并形成彈塑性變形集中的現象。

高層混凝土建筑最初設計階段缺乏巖土工程勘察資料或資料不全，一些設計師在初審通過之后就直接進入了施工圖設計階段，沒有巖土工程的前期勘察資料，使得設計缺少最重要的設計缺少了必要的依據，如果選取的參數再計算過程中出現問題，則結構設計和工程預算的相應參數需要重新選取。除此之外，如果不能正確選取建筑施工場地和施工技術也會對高層建筑的抗震能力造成負面影響，包括以下幾點：（1）選取的地基不合理，高層建筑開發商不能正確的選擇地基，沒能避免選在兩類土壤上和避開不利地形、不采用震陷土作天然地基，甚至有些地基建在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段；（2）選用的材料不科學，導致體系結構不合理。我國建筑結構變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準，其中主要以鋼筋混凝土核心筒建筑形式為主，但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規范側移限值，但是這樣還常常會出現部分建筑物高度過高，在震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性會發生很大的變化，使得高層建筑物的抗震能力下降。

3 高層混凝土建筑抗震的設計方法

3.1 選取合理的建筑結構參數，對于復雜結構進行多遇地震作用下的內力和變形分析時，應采用不少于兩個不同的力學模型，目前主要有兩種計算理論：剪摩理論和主拉應力理論，它們有各自的適用范圍：磚砌體一般采用主拉應力理論，而砌塊結構可采用剪摩理論。先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應，與風、重力荷載效應組合，并引入承載力抗震調整系數，進行構件截面設計，從而滿足第一水準的強度要求。其次是選擇建筑場地時，應掌握地震活動情況，根據工程地質和地震地質的有關資料，對抗震危險地段作出綜合評價。對地震多發地段，應提出避開要求，當無法避開時應采取積極有效的措施，仔細的劃分高層建筑地段的巖石、半巖石和密實的地基土對房屋抗震最有利，是最好的建筑場地；而松軟的粘性土，尤其是易發生砂土液化的地區，都對房屋的抗震不利。同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上；同一結構單元不宜部分采用天然地基不采用樁基。

3.2 在高層建筑中設置多道抗震防線，強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌。地震時高層建筑物的破壞程度，主要取決于鋼筋混凝土結構變形的程度。多發地震的高層鋼筋混凝土建筑的抗震要求按延性框架結構進行設計，所以建筑結構的承載力與剛度須加強結構局部薄弱區，保證了建筑構造的整體性和變形能力，才可以減少地震的破壞性，提高了建筑的抗震力，綜合考慮抗震的多道防線，盡量避免薄弱層的出現，加強概念設計，以理論概念指導正常使用極限狀態的驗算等。在高層建筑的結構設計中始終要重視構件的延性性能，加強薄弱部位；合理控制鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的直線段錨固長度，考慮溫度應力的影響。

3.3 高層建筑混凝土結構在設計是要注意按規整、對稱、均勻等原則考慮平面的布置，高層結構各樓層的側移發生在水平地震作用下，其中包括整體彎曲變形、剪切變形、整體平移和整體轉動，對不同的結構應采取不同的措施以控制結構的變形。減小結構側移的途徑主要有：減小框架的柱距和梁距，采用彎雙重抗側力體系，設置剛臂，豎向支撐的交錯布置，變平面構件為立體構件，圍護結構參與抗震，傾斜立面的利用，扭轉體型的應用，雙曲線圓筒的應用，加大房屋等有效寬度。在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。

4 結語

高層建筑混凝土結構是我國主要的建筑結構形式之一，如何設計好高層建筑混凝土結構的抗震結構是我國當代社會所要考慮的重要問題，作為建筑設計人員，在高層建筑的前期要做好地基勘探工作和計算設計工作，主義建筑的平面布置和混凝土材料的選用，加強高層建筑混凝土結構的防震功能。

[1]張靜怡，李春祥.抗震性能設計的發展[J].自然災害學報，2004，13(5):12-135.

[2]李國強，張潔.上海地區高層建筑采用鋼結構與混凝土結構的綜合經濟比較分析，建筑結構學報，2000，21(2):75-79.