淺談高層建筑的抗震防風結構設計

李鵬超

摘 要：隨著經濟和科技的發展，城市化和工業化在逐步覆蓋全國，因地震造成的災害由于各種防護措施的保護，人員傷亡不高，但是經濟損失是巨大的。抗震設計是衡量建筑是否過關的重要依據。但是抗震設計要針對不同的地點、地形及建筑的需求，區分對待，不能一概而論。

關鍵詞：抗震；結構；設計方法；探討

1 高層建筑抗震結構設計中存在的問題

1.1 建筑結構設計材料的選用和結構體系問題

在我國目前高層建筑結構的常見類型有框-筒式、框架-支撐式及筒中筒三類形式，其九成為鋼筋混凝土結構和混合型結構，但是其地震承受能力在國外還沒有被完全承認。目前在國際中，地震帶區域內的建筑都是鋼結構主體，這些區域內的抗震建筑都可以作為經驗供我們學習和借鑒，選用抗震及剛性材質高的材料來建設，它們與混凝土材料相比，其韌性、延展性、質密度等性能及性質相當優良，其抗震能力尤為突出，混凝土結構由于其自重較大，加大了建筑的負載，消弱了抗震能力。當前，我國常見的高層建筑多數都是混凝土鋼筋結構，所以在調控建筑結構的位移標準要以鋼筋混凝土的標準為界限。當建筑結構的彎曲形變側移度超標，即便有鋼筋混凝土所含的鋼框架結構協助支撐，也不能很好地抑制側移的發生，致使鋼結構的荷載增加，防御地震的能力也不是很好，所以如何限制側移界限就十分重要，因此對混凝土筒的剛度加強和伸臂結構的設置就非常必要。同時，還需要建設結構轉換層，用來應對結構或柱距的變化，但是加強層也處于這一層，二者共處就會使這層的剛度變大，會導致形成鋼結構突變及轉換層何加強層各結構間剪力變大，難以達到強柱弱梁的建筑目標。所以，在進行高層建筑的建設時，要仔細分析后再去構建加強層及結構轉換層的結構，調控好建筑體的剛度范圍。

1.2 抗震設防烈度問題

我國現階段關于建筑對于地震的設計原則是小規模地震建筑要無損，中震造成的危害可以修理，重度地震建筑不倒塌的原則。但是在當前形勢下，我國設定的建筑抗震標準相對較低的，中震的標準僅為規定基準以上10%的地震烈度，這些標準在現今及未來的發展趨勢下都有待商榷。除此以外，我國的抗震標準的計算和構造標準均比外國要求低，安全程度也不高，另外對于抗震延性的要求如配筋率、建筑的承載力要求等也趕不上國外的水準。

2 高層建筑的抗震設計

2.1 選用標準規范的抗震材料

建筑的布局影響著建筑的穩定性，對于高層混凝土結構也同樣適用，結構的布局直接作用于建筑的主體，對于穩固建筑及降低結構形變對于建筑的影響有著重要作用，使整個建筑的力學性能和結構更加穩固，讓結構設計及建設的剛度達到建筑的預期標準。規范的建立可以更好的促進事件的發展，建筑材料的標準及規范建立，在建筑施工中對于各結構受力的分析及調控帶來了便利，有助于建筑的構造穩定，提升高層建筑對于地震的抵抗性。

2.2 選擇良好的抗震結構體系

2.2.1 高層建筑抗震體系的布局構建除了要考慮布局的合理性與實用性，還需要保證其對稱與規范，以防止建筑扭轉而導致不平衡的現象出現，所以，在豎向面進行結構建設時，構建的原則是由上而下調控結構的剛度逐步減小，并呈現規律性變化，但是因為建筑要求需要改變結構致使平面布局、剛度大小或負載力等參數不規則時，這時判斷其規則與否就要從以下幾個方面去進行判定：（1）扭轉不規則；（2）抗扭轉剛度比較差；（3）層剛度不達標；（4）平面結構不夠規則；（5）樓板結構不規則；（6）豎直面剛度不規則，只要有一項符合條件的即為不規則結構，當滿足三項及以上則屬于重度不規則，出現不規則情況后要在相應的結構部位進行加強，提高其抗震能力，同時要進行專項審查，是否合乎高層建筑的抗震設防規范和限度，一旦有經過核實和調查與抗震規范要求指標不相符的，被認定為極度不規則體系的建筑，要及時與建筑設計者交流和協商，更設計方案。

2.2.2 多道抗震設防。地震中建筑結構的各部分會出現損壞或塑形鉸，但是如果可以控制這些情況出現的順序，組成多層次的防御體系，那就可以保證結構在地震中不倒。局部的損傷同樣會引起整體結構的損傷，所以為了避免出現這一情況，需要組成超靜定結構將不同的但延性好的其他體系一同抵御地震帶來的危害。因此對于構件的整體性能和應付形變的能力要求較高，一旦第一道抗震防御帶出現問題，第二道體系就要立刻作為屏障充當起防衛作用，保持建筑的穩固。以框架剪力墻為例，它由抗震墻和框架組成兩道防線防御地震，二者分別為第一第二道防線。只有當結構體系有多層抗震墻時才可以稱之為多層防御體系。從實際中可知，地震中房屋倒塌的原因是由于抗側重力面承載力不夠，當選擇多層防御體系時，可以適當削減初道抗震墻的控制防御能力，但同時要提升下一道防線的地震破壞抵御能力。

2.2.3 抗震薄弱層。在進行建筑構造時，有時會因為某些原因如材料的特性、形狀和性能，外觀要求或功能要求等，使建筑的結構出現在各個方向平面上的不規則較大變動，當出現地震時，由于地震的影響這些部位首先出現彈塑性非線性形變，這這些部位就會變成建筑的薄弱點，易引起建筑的損傷。但是要注意的是：（1）只有在地震情況比較嚴重時才出現有關薄弱層的彈塑性形變問題。（2）對建筑進行受力分析時要考慮整個大局面的情況而不是僅僅只有薄弱地方的受力或形變問題。（3）薄弱層的位置不是一成不變的，它會隨著建筑的設計變遷或施工材質的變化而遷移，因此如何能在調控薄弱層位置的變化的同時，又可以復合形變能力的指標，這是才是解決建筑薄弱層問題關鍵所在。

2.3 剛度、承載力和延性的匹配

結構的抗力與總體延性的關系是反比例關系。地震對于建筑的影響與建筑物的動力特性密切相關，只有建筑的承載力分布、剛度及延性滿足標準才能起到災害防御作用。但是建筑側翼的剛度提高，需要加大資金的投入并同時會引起構件延性的降低。高延性的構件是支撐建筑抗倒塌的條件，但是在實際中是很難保證每個構件都能有期待的延性指標。因此，只有在建筑中選擇最為關鍵的結構和桿件，保證其延性的強度，這樣既降低了成本又滿足了要求。

3 高層建筑的防風設計

風力與時間的變動有關，在常見建筑中風力對于建筑的影響較低，風力荷載用一般的動態方法就就可以防御，然而在那些建筑體積纖細的上，風力作用就比較明顯了。風荷載數化的依據就是風力的大小，而影響建筑結構設計的預測壽命的依據就是最大風力的數值。影響防風設計的因素有以下幾個方面。

3.1 地理位置

在許多地方都有風速統計記錄，已經有相當成熟的數據庫記錄，可用于繪制風速分布地圖，將基本風速用等值線代替顯現，而等值線則是地圖中的等值的比例風速線。

3.2 物理位置

當高層建筑處于不同地點，比如在內陸和沿海地區，二者地表或地形上的粗糙度會影響風速的變化，同時由于高度的變化風速也在變強，所以粗糙系數就應運而生，它從地理位置的表面粗糙度及樓層高度去考量風速。

3.3 建筑結構尺寸

所處的高度越高，風速就會越大，因此建筑的防風設計與構建的高度有關。這是就需要引入參考風速這一概念，它是由粗糙系數、地形等計算獲得的因式，而由風速產生的壓力則與平均風速有關，與其平方成正比例關系，平均風速也是由參考風速計算而得。

4 結束語

建筑物結構的抗震功能非常重要，只有設計出嚴謹科學的建筑抗震設計，才能抵御地震對于人們造成的危害，降低財產損失，因此只有在建筑的抗震設計中不斷創新和進步，以前事為鑒，才能有效地避免因地震而造成的諸如唐山大地震、汶川大地震式的悲劇。

參考文獻

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