高層混凝土建筑抗震結構設計探討

1 高層混凝土建筑的結構特點及地震作用下的破壞特點

1.1 高層混凝土建筑的結構特點

高層混凝土建筑指的是建筑物高于28m，并且樓層超過十層的混凝土建筑。高層混凝土建筑結構其實說白了就是一種豎向的懸臂結構。高層混凝土建筑結構上的彎矩和軸向力是水平荷載跟垂直荷載導致的，建筑的高度跟軸向力實際上呈現線性關系。高層混凝土建筑的層數與水平位移，跟彎矩是呈上升曲線的關系，并且軸向力是與高度成正比例。從受力特性方面來說，當水平荷載離分布較均勻時，建筑的高度跟彎矩是呈二次方變化關系，而當垂直荷載方向不變時，高層建筑的增加高度所帶來的受力也很小。

1.2 發生地震時高層建筑的破壞特點

(1)地基破壞特點。如果高層建筑是處于軟弱土層上，就比較容易發生破壞，因為土體液化會引起基礎沉降，最終會出現上部建筑結構的傾斜，在一些危險地段所修的高層建筑，如果遇到地震，建筑的基礎就會出現不均勻沉降，甚至導致建筑物出現裂縫，并且一旦高層建筑自身的結構周期跟場地周期相同時就會出現共振效應，嚴重的破壞結構。

(2)結構體系破壞特點。如果高層混凝土建筑是框架填墻結構，一旦發生地震，建筑平面的內框架柱上部就易發生剪切型破壞，而窗洞部分因為窗下墻的作用會導致短柱性破壞。框架剪力墻結構受地震的破壞程度比較輕。

底框結構因為底層具有較低的剛度，一旦發生地震，就會受到嚴重的破壞，而如果使用框架填墻結構，因為底層框架是敞開式，沒砌墻時具有較低的剛度，所以，底層會受到嚴重的破壞。

(3)剛度破壞特點。建筑的主體結構使用矩形平面式，建筑中的電梯井等如果發生偏心，在扭轉振動的作用下會加重地震破壞度，而L形和三角形等對稱性不強的平面形式，地震中更容易受到扭轉振動的破壞，加重震害。

(4)構件的破壞特點。采用框架剪力墻結構的建筑中，柱會比板和梁破壞嚴重，剪力墻的窗臺下部位置比較容易發生交叉性裂縫。而框架柱因為設置了螺旋箍筋，所以，層間位移角比較大，框架柱在地震時具有較強的抵抗力。

2 高層混凝土建筑抗震結構設計

2.1 設計建筑主體結構的基礎

建筑工程的基礎結構是否設計的科學，會跟建筑的質量息息相關，相同結構的單元應當設置在地基性質相似的地面上，并且使用一樣的結構，如果地基的位置出現了橡皮土、液化土和新填土等承載力不一的土層時，要通過適當的處理措施來增強基礎結構的剛度，保證地基足夠的承載力。使用底框結構不僅實用性強，而且具有較強的經濟性，使用范圍相當廣泛，但是，這種結構體系下的剛度分布不均勻，存在頭重腳輕的可能，最終使得建筑物的整體結構出現不均勻變形，嚴重者甚至會導致房屋部分開裂，所以，不易在高設防烈度地區使用這種結構，或者在具體設計時，設計人員應當通過適當措施確保上下部分具有一致均勻的剛度，真正有效提升抗震水平。

2.2 增加抗震防線

高層建筑的抗震結構是由多個延性分體系構成的，并且各個延性構件是相互協調連接的，如框剪力結構就是結合了剪力墻與框架分體而構成的多肢剪力墻結構體系，通常在大型地震出現后會發生余震，所以，若是只設置一道抗震防線，一旦該抗震防線受到余震的破壞，就會嚴重損傷到高層主體結構，嚴重者甚至出現倒塌。設計人員必須認真處理結構構件抗震設防體系，并確保同一平面內的主要構件屈服，剩余抗側力部件處于彈性過程階段，提高主體結構的有效屈服持續時間，保證主體結構具有加強的延性和抗側移能力。在進行建筑的抗震設計時，可能會出現某一結構構件的抗側移值太大的現象，最終引起其他結構構件強度不夠，所以在設計時必須適當強化構件的抗側移能力，必須反復權衡施工中的以大帶小與個別抗側力部件的配筋率提高等設計行為。

2.3 使用多種抗震計算方法

在進行高層混凝土建筑設計時，必須正確計算抗震結構的位移，定量的分析結構設計方案，將主體結構的變形量控制在一定范圍中，確保發生一般的地震時不會出現變形。計算主體結構的承載力時，要實時計算高烈度地震下結構的層間位移角和延性位移，并根據建筑物構件中位移跟結構的變形關系，最終獲得主要構件的變形數值，再結合建筑截面的應變情況，明確構件的合理構造要求，另外，還要確保建筑優良的場地條件良好，盡量降低所輸入的地震能量，有效降低高層建筑的主體結構的破壞程度。

2.4 抗震加固設計

在多數情況下，高層建筑都明確了設防抗震要求，所以，高層建筑不但要滿足一定的剛度和延性要求，還需滿足一定的強度要求，而鋼筋混凝土由于本身的自重比較大，特別是底層柱其軸力跟建筑物高度是成正比的關系，而主要構件對延性有一定的要求，在層高既定時，往往以調整軸壓比的形式來增強構件的延性，但是軸壓比不可太大，要不然就會構成結構短柱，延性相當有限，如果遇上高烈度的地震，易導致剪切破壞，最終會導致整體的倒塌，所以必須進行加固設計。

(1)選用螺旋復合箍筋。框架柱的抗剪能力應該跟強剪弱彎與剪壓比想符合，柱子端部的抗彎能力必須滿足強柱弱梁限值的標準，而短柱在強柱弱梁與強剪弱彎時，不會導致剪切性破壞，螺旋復合箍筋的突出優點就是可以有效提高柱子的抗沖剪能力，提高短柱抗震性能。

(2)選用分體柱。短柱的抗彎性能強于抗剪性能，所以，在實際地震中往往是抗彎能力還沒真正發揮作用就已出現了剪壞破壞，設計時需適當減少短柱的抗彎能力，讓它跟抗剪強度相近，才會讓短柱在地震中從一開始就滿足抗彎的屈服強度。設計中常常使用減少抗彎強度的形式，即把柱子沿豎向設縫，并把它劃分成各個分體柱，分體柱的配筋可在柱肢間布置一定數量的連接鍵，真正增強構件的剛度與抗震性能，常常使用通縫、分隔板和摩擦阻尼器等連接鍵。選用分體柱，雖說不能增強柱子的抗剪性能，但是在降低了抗彎能力時就提高了柱子的抗變形能力，實現了短柱向長柱的轉變，有效提高了短柱的抗震能力。

2.5 將位移考慮在內，降低輸入地震能量

(1)客觀看待位移問題。計算承載力是我國建筑結構設計的基礎，設計人員應該重視這個計算，并采用彈性策略，系統性的分析和計算相關結構力，保證建筑結構的穩定和安全;而要有效減少水平方向的側移，可以減少建筑的自重，將橫向彎矩考慮在內，在分析相關數據的基礎上，開展深層次的設計，將多個方面的因素都考慮在內。

(2)降低地震的輸入能量。隨著社會經濟的發展，人們對高層混凝土建筑的抗震性能提出了更高的要求，所以，在開始設計時，就應考慮地震的預期作用，仔細預算、計算和分析變形問題，設計時應重視構件承載力，還要計算地震時層間的位移側移與綜合位移之間的延性比等，保證建筑結構的穩定性和實用性。

[1]降海芹.高層建筑抗震結構的施工與現場管理[J].城市建設理論研究，2011，(32).

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