住宅高層建筑結構抗震的優化設計

陳詩開

摘要：目前高層建筑的建設數量越來越多，為了保證人們的生命安全，優化高層建筑的抗震設計尤為重要，因此本文探討了高層建筑結構抗震的優化設計。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；抗震設計；優化

前言

在地震出現時，高層建筑物會受到很大的破壞，帶來的經濟損失和人員傷亡特別大，因此做好建筑抗震設計具有特別重要的意義，唯有如此，才能夠提升高層建筑的抗震能力。

1 高層建筑結構抗震設計的原則

1.1 層間位移限制方面

在建筑結構工程師進行建筑防震結構設計期間需參考下建筑結構材料、位移的約束、結構體系、側向荷載和高比寬等問題。對于建筑防震結構設計需在一定程度上要求鋼筋混凝土結構的位移限值，還要對建筑的所處位置進行優化設計，保證其穩定性及功能的穩定使用等。建筑在地震或者是風力之層間常常會產生很大位移，對于建筑防震結構設計不但要滿足其剛度，還要防止超過其承載力。

1.2 結構的規則性方面

對于建筑防震結構設計，需先弄清楚建筑抗震結構設計的需求，在此基礎之上，優化建筑平面和建筑物的應用性能，并對其進行適當的布局，對于高層建筑而言，務必要保證其具有足夠的剛度，從而減小結構扭轉的影響，對于建筑物來說需確保其平面均勻對稱，建筑物的柱網剪力墻務必要科學布置。因為此類建筑結構可以很容易出現建筑物多地震的反應，對于建筑防震結構設計需對建筑進行適當布置，如此一來對于減小豎向構件間的差異形變和結構內應力對建筑結構的不利影響具有非常大的作用。

2 高層建筑結構抗震設計存在的問題

2.1 材料的選取問題

這幾年，國內地震出現的次數特別多，因此在對地震頻發區域進行高層建筑設計時，務必保證其結構體系的科學性性，另外還需適當選擇結構材料。然而由于施工、經濟等因素，輕質高強材料并未適當的采用。

2.2 地基的選取問題

不同的地基類型對地震力的傳遞有不一樣的特點，高層建筑因為垂直高度較高，自身重量較大，因此在選址時，對于土質的硬度、密實度與對地形的開闊和平坦性具有很高的要求，而且需遠離河岸，防止抗震危險性路段，如此一來才可以保證高層建筑的基礎具有較好的抗震性能，可以在地震力作用下具有非常好的承受能力。然而目前因為國內城市發展速度的加快，城市人口日益增加，很大一部分房地產開發商在進行高層建筑選址時均會更多的對其商業利益與商業開發空間進行考慮，這就造成高層建筑地基在選取上具有特別多的適宜性與不科學性，進而使其抗震性能降低，在地震發生時高層建筑的基礎破壞更加嚴重。

2.3 平面及豎向規則問題

由于經濟水平的提升和大家對流動的藝術的追求，建筑師創作的平面與立面日益復雜。進而平面與立面規則性超限的狀況日益普遍。這就促使建筑的抗震性能有很大的削弱。

2.4 抗震設防烈度問題

由于我國的經濟發達程度還不夠高，現在國內的建筑的抗震設防烈度不高，中震和規定的設計基準期內超越概率大約為10%的地震烈度相似，較低的抗震設防烈度減小了高層建筑的抗震需求。

3 高層建筑結構抗震的優化設計

3.1 合理選擇建筑材料

在進行高層建筑抗震設計時，材料的選擇十分重要。對于即將選擇的材料，要科學的分析其材料的抗震性能，對材料的參數變異性進行整體研究，保證最終材料的選擇的合理性。同時，還需要對材料的承載能力進行充分的考慮，保證材料抗震分析的全面性。從抵抗地震的要求來看，建筑結構還需要具備一定的延性，為了充分的滿足需求，在選擇建筑材料時，就需要充分地考慮建筑施工的各個方面的實際情況，選擇最為科學合理的建筑材料，提升高層建筑抗震能力的同時，保證材料選擇的科學性及經濟性。

3.2 合理選擇抗震場地

由于地質條件的不同，地震對建筑設施的破壞具有很大的差異。在施工前要勘察好地基狀況，保證建筑場地有助于建筑設施的抗震，應盡量不在抗震不利地段建設建筑構，在不能避開時，需采用恰當的措施提升抗震性能。根據建筑場地地基地質特征與受地震破壞作用的強弱來進行分類，依據建筑場地實際狀況適當采取抗震措施，比方說依據地基地質抗震設防種類、地基液化等級等實際狀況科學采用適當的基礎形式。

3.3 降低地震能量的輸入

建筑物吸收的地震能量越少時，建筑物的抗震能力就越高，基于此，在進行抗震優化設計時，應該采用基于位移的結構抗震方法，利用定量分析的方法分析具體的方案，在預期地震作用力下，高層建筑的變形彈性能夠滿足變形需求，從而具備較高的抗震能力。高層建筑中，包含的構件數量比較多，需要驗收其承載能力，同時，在地震作用下，建筑結構的層間位移限值還需要進行有效地控制；建筑構件在使用的過程中會發生一定的變形，而且建筑結構也會產生一定的位移，對于變形與位移之間的關系，能夠比較好的計算出來，從而將構建的變形值確定出來；建筑構件的構造需求需要進行有效確定，確定依據為建筑界面的應變分布和大小。此外，高層建筑在選擇建筑地址時，堅固場地在地震發生時能量輸入比較少，從而提高建筑物的抗震能力，減少地震對建筑物的破壞，保護人們的生命安全，因此要對高層建筑的選址十分重視。

3.4 合理選用結構體系

體系問題為結構設計需要把握的關鍵問題。需注意體系的科學性問題，優先使用抗震性能高、延性優、耗能性能強、有利于施工的具有多道防線的體系。防止選用抗震性能特別低的板柱-抗震墻結構、框架結構、特別是單跨框架結構等。

3.5 抗震結構設計優化

近年來，隨著高層建筑的增多，人們越來越重視建筑物的抗震設計，尤其是地震頻發的地區，建筑物的抗震能力更是受到重視。當建筑物的高度超過150m時，結構體系主要有三種，分別為框-筒結構、筒中筒結構和框架-支撐結構。隨著我國鋼材生產產業的發展，鋼結構的制造能力越來越強，在條件允許的情況下，建筑物的結構應該盡可能的采用鋼骨混凝土結構、鋼結構或鋼管混凝土結構，這樣一來，柱斷面的尺寸比較小，建筑結構的抗震能力可以有效地提升。在我國傳統文化中，“以柔克剛”的思想受到廣泛的重視，很多實際問題都可以利用這一思想解決，在高層建筑結構的抗震設計中，同樣可以利用這種思想，將剛與柔相結合，由傳統的硬性抗震變為現在的柔性抗震，降低地震對建筑物的沖擊作用，提升建筑物的抗震能力，最大限度的降低地震對建筑物的破壞程度。

3.6 高延性設計的應用

目前，延性結構為我國高層建筑抗震設計的主要方法，所謂延性結構，是指在適當的空著建筑結構的剛度，地震時，結構構件較大的延性塑性狀態是允許出現的，這樣一來，地震作用時的能量就能夠比較好的被消耗，降低地震反應，減少建筑物受到的地震作用危害，降低損失程度。實際上，當高層建筑的延性比較高時，即使承載能力比較小，那么在發生地震時，建筑物倒塌的可能性也比較小，主要原因是延性構件在地震發生時，吸收了大部分的地震作用能量，結構變形比較大時，依然能夠承受，提升建筑物的抗震能力。通過高延性設計，減輕地震反應，增強建筑物抵抗地震的能力，減少建筑物倒塌發生率，保證人們的安全。除了高延性設計之外，在進行抗震設計時，還應用了消震及隔震措施，比如阻尼，通過阻尼器的應用，有效地吸收地震能量，減輕地震反應，降低地震對建筑物的破壞，提升建筑物的抗震能力。

3.7 增加抗震防線建設

高層建筑的抗震設計中包含防線建設，為了達到提升抗震能力的目的，可以增多抗震防線的建設。這樣一來，在發生地震時，即使第一道防線被破壞，第二道、第三道，甚至是更多道的防線均會起到阻擋地震作用力的目的，減低建筑物倒塌發生率。通常來說，多個肢節和壁式框架的框架剪力墻結構是比較有效的防震結構之一?？蚣芗袅χ邪嗟揽拐鸱谰€，第一道抗震防線為剪力墻，這是主要的抗側力構件，當剪力墻的數量比較多時，其所具備的承載能力也會相應的提升。同時，在地震的作用下，剪力墻開裂之后，任一層框架部分的框架和墻會協同一起分散地震剪力，降低地震作用對建筑物的傷害。此外，框架剪力墻中的剪力墻也可以進行連梁的設置，通過連梁的防線作用，改善建筑物的抗震能力。

4 結語

在高層建筑結構設計中，抗震設計是十分重要的一個方面。我國抗震設計水平在不斷提高，但是還是存在一些問題的，因此需要對建筑結構抗震進行優化設計，有效地提升建筑物的抗震能力，保證人們的生命安全。