住宅高層建筑結構抗震的優化設計1

張明輝　梁健

摘要：隨著高層建筑的迅速發展，建筑高度不斷增加，高層建筑的抗震設計變得尤為重要，建筑結構的抗震設計是一個完整、系統的概念，本文對建筑結構抗震設計中應注重的幾大問題進行詳細的分析和探討，并對如何提高建筑結構的抗震能力提出了自己的幾點看法，希望為結構設計人員進行建筑結構的抗震設計提供參考。

關鍵詞：高層建筑；抗震結構；優化設計

前言

地震的發生是難以預測的，也不能對其進行精確計算。當地震發生時，建筑物承受巨大的水平作用力，一旦建筑物的抗震設計不到位，建筑將會在地震的作用力下出現裂縫構件損壞局部坍塌等，嚴重時將導致整樓倒塌，給人民的生命財產帶來嚴重威脅。近年來，幾次重特大地震導致的建筑物倒塌引發的災害令人觸目驚心，做好建筑結構的抗震設計，結構設計人員責無旁貸。

1 地震影響下高層住宅建筑結構破壞的特點

1.1 地基

部分場地具有較厚的軟弱沖擊土層，此時高層建筑地基破壞率明顯增高。由于地基土液化造成地基出現不均勻沉降，最終導致建筑上部結構損害甚至整體傾斜。高層建筑位置若處于不利或危險地段，會由于地基破壞而導致房屋整體結構破壞。一旦建筑結構基本周期和場地的自振周期趨于相同，則會由于共振效應導致破壞程度加重。

1.2 結構體系

高層建筑一般采用框架或框架一抗震墻結構，鋼筋混凝土框架的結構平面內柱上端部位容易產生剪切破壞，在窗洞位置的外墻框架柱由于受到窗下墻體的約束容易產生短柱型剪切破壞。若高層建筑采用抗震墻結構，其破壞的程度較輕；若采用底框結構，其剛度柔弱的底層則會受到嚴重的破壞；若采用框架結構，建筑底層若為敞開式的框架間，且未砌磚墻，其底層也會受到嚴重破壞；若采用鋼筋混凝土柱、板的結構體系，由于樓板的沖切或由于樓層發生較大側移，導致柱腳破壞，各層的樓板會發生墜落甚至重疊在地面上。

1.3 剛度分布

若建筑物結構以矩形平面布置，電梯井等抗側力構件在布置過程中一旦存在偏心，則會由于扭轉振動導致地震災害加重；若采用L形、三角形等不對稱的平面建筑結構，也會由于地震影響產生扭轉振動最終導致災害加重。

1.4 構件形式

在框架建筑結構中，相比于梁、板，柱的破壞程度更大；鋼筋混凝土剪力墻結構中，窗下墻通常會產生交叉/斜向裂縫；若混凝土柱中配置螺旋箍筋，一旦層間的位移角數值較大，核心的混凝土依然完好，鋼筋柱抵抗能力較強，但若在同一樓層存在長短柱并用的情況，則會導致短柱受到相對嚴重的破壞。

1.5 房屋體形

若建筑的平面結構不規則，如T形、L形、Y形等，其在地震影響下的破壞率較高。若高層建筑底盤加大，裙房頂面和主樓相接位置的面積突然減小的樓層，由于相鄰的樓層間產生較大的質量突變，往往會導致較為嚴重的破壞。若高層建筑的防震縫寬度設置較小，則會導致建筑物之間產生碰撞破壞；樓層平面形心和重心的偏移距離越大，震害導致的破壞越嚴重。

2 高層住宅建筑結構抗震設計遵循的基本原則

所有高層建筑基本上都是支撐在地面上的豎向懸臂結構。當合理地使用下述原則時，由墻、核心筒、框架、筒式結構和其它豎向結構分體系，可以得到所希望的結構方案，既能達到良好的抗震性能，同時又不需要增加成本。

（1）設計結構分體系應使其構件以最有效的方式相互作用。例如：在墻的關鍵部位配置鋼筋；使框架的剛度比達到最優；弦桿和斜桿的桁架體系。

（2）增加抗彎結構體系的有效寬度，這是非常有效的。因為增加寬度可以直接減小傾覆力，在其它條件不變時，側移按寬度增加的三次方的比例減小。

（3）使大部分豎向荷載直接由主要抗彎構件承受。這將使主要的抗傾覆構件受到預壓而有助于傾覆拉力作用下的房屋穩定。

（4）增大承受荷載最有效構件的截面。例如：加大較低樓層柱子的連接大梁的翼緣截面，就能夠直接減小側向位移和增加抵抗力矩，而不會增大上層樓面的質量。否則就更不利于抗震。

（5）在豎向結構分體系中，合理布置實心墻或斜撐構件，可以有效地抵抗每層樓的局部剪力。這樣不僅起到抗震效果且可降低建造成本。

（6）將大型豎向和水平構件連接成巨形框架。

（7）每層樓蓋都應起到水平隔板作用。這可以讓各抵抗外力的構件共同工作，而不是單獨工作。

3 高層住宅建筑結構的抗震優化設計措施

3.1 盡量減少地震發生過程中的能量輸入

在實際設計的過程中，需要采用以位移為基礎的結構抗震方法，定量分析實際設計方案，確保結構的變形彈性能夠滿足預期的地震作用力變形要求。在進行建筑構件承載力驗收的過程中，需要對建筑結構地震作用下的層間位移限值，同時按照建筑物構件變形以及結構位移的實際關系，對構件變形值進行確定。按照建筑物界面應變的分布規律和大小，確定建筑物構件的構造需求。針對高層建筑而言，需選擇堅固場地進行施工，從而能夠有效的減小地震發生時的能力輸入，適當減小地震的破壞。

3.2 采取高延性的設計，運用消震、隔震措施

在大部分高層建筑的抗震設計中，一般采用延性結構，從而對建筑物的結構剛度進行一定的控制，保證在地震時建筑物構件能夠具有較大延性呈現塑性狀態，以消耗地震產生的能力，降低地震造成的高層建筑結構破壞。若高層建筑承載能力小，但延性較高，其在地震中則不易發生倒塌。原因在于延性構件能夠吸收能量，有效的避免建筑結構變形，可見延性結構能夠有效的減小地震反應。21世紀以來，人們對建筑物抗震能力越發重視，并對其進行一定的研究并取得了相應的效果，例如：近年來阻尼器在我國高層建筑抗震設計中得到了廣泛的應用。借助阻尼器的使用以減少震動，能夠巧妙的減弱地震能量對高層建筑物的破壞。

3.3 做好抗震結構設計

對于高層建筑的設計人員而言，需要尤其重視其抗震結構的設計。在我國，超過150m的建筑物，一般采用3種結構體系，分別是框一筒、筒中筒以及框架一支撐體系，且這三種體系在其他國家中也應用廣泛。在高層建筑結構抗震設計的過程中，可將傳統硬性為主的抗震模式逐漸還變為以柔性為主的抗震結構，從而實現以柔克剛、剛柔并濟的高層建筑抗震結構設計，以確保地震作用時釋放出的沖擊力得以減弱。

3.4 做好建筑選材工作

我國的鋼材生產行業規模較大，鋼結構加工制造的能力也居世界前列，所以在建筑結構抗震設計的過程中可以盡量采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土柱或鋼結構等，從而縮小柱斷面的尺寸，保證建筑結構的抗震性能得以改善。在高層建筑抗震結構設計的過程中，必須做好建筑材料的選擇工作。首先，要分析建筑材料的各項參數，尤其是其抗震性能，不可只考慮材料的承載力忽略材料其他的參數。對于抗震設計，需要保證建筑材料符合結構的延性需求。

3.5 增加抗震防線

在進行高層建筑結構設計的過程中，可設置多條抗震防線，從而增強建筑工程對于地震的抵抗力。通過設置多層抗震防線，即便第一道防線受到了地震的破壞，高層建筑結構中仍然具有第二道、第三道甚至更多的防線以抵抗地震的作用力，從而防止高層建筑物發生倒塌。在進行高層建筑抗震設計的過程中，可選用具備多肢節或壁式框架的剪力墻結構以達到防震目的。框架剪力墻結構屬于十分典型的多道防線抗震結構，剪力墻是其第一道防線，屬于結構的主要抗側力構件，因此需要設置足夠多剪力墻結構以確保建筑的整體承受能力。

3.6 采取加固設計

要想保證高層建筑結構抗震的能力得以有效的提升，需要按照建筑結構的具體情況進行一定的加固處理，在進行加固處理的過程中需要注意以下幾點：

（1）針對結構設計存在缺陷的結構，要根據具體情況增加加固構件，還可采用具備高抗震性能的構件以代替原有的構件。（2）要想提高建筑結構的承載力、增強結構的整體剛度，則可增設構件或擴大原截面，采取設置套箍的方式以做好加固工作。（3）許多建筑結構整體性并不能達到抗震設計的標準，可通過對結構進行針對性的調整以分散地震的作用力，適當的減少結構破壞。對于高層建筑中那些和建筑結構不相關的構件，可能會由于地震倒塌導致危害，因此需要對其進行適當加固。

3.7 對結構變形進行控制

對于高層建筑的整體抗震能力而言，其結構變形對抗震能力有著直接影響。若發生地震時，建筑物在水平震動作用力下發生側移，導致建筑物的結構產生變形，結構被破壞。所以，需要做好建筑結構類型的考察工作，繼而針對性的采取加固措施以盡可能減少建筑結構在地震作用下產生的變形。經過實踐證明，對高層建筑損壞程度評估時，間層側移的角度是十分重要的指標，因此國家對其具有明確規定。要采取一定的措施以控制結構側移，一般可通過減小框架的柱距和梁距、采用彎一剪雙重抗側力體系、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、利用傾斜立面，扭轉體型、采用雙曲線圓筒以及加大房屋的有效寬度等方法以控制側移。

4 結語

綜上所述，在實際的建筑結構設計的過程中，針對建筑物的具體情況做好抗震設計，分析地基承載力等參數，做好建筑結構材料的選材工作，并做好加固設計，以保證建筑結構的抗震設計符合要求，確保建筑結構不會輕易受到地震災害的破壞。