高層混凝土建筑抗震結構設計探討

摘要：近年來我國地震頻頻發生，建筑業對房屋抗震設計問題已引起了重視。根據我國抗震的相關標準，要求高層混凝土建筑必須進行合理設計施工，實現“大震不倒，小震不壞”的設計目標。文章講述了高層混凝土建筑結構的特點及抗震結構設計要求，分析了高層建筑遭遇地震時的破壞特點，提出了高層混凝土建筑抗震結構設計的方法。

關鍵詞：高層混凝土建筑；建筑結構；抗震結構設計；建筑業；地基破壞；結構體系破壞 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU97 文章編號：1009-2374（2016）32-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.052

長期以來，抗震結構設計是高層建筑混凝土結構設計中的一個難點，也是至關重要的一個環節。主要因高層建筑人口相對密集，若高層混凝土建筑抗震性能較低，在發生地震災害的情況下極易發生坍塌，從而造成不堪設想的后果。因此，在高層混凝土建筑設計過程中，必須對抗震結構設計引起足夠重視，才能保障高層建筑居民的生命及財產安全。

1 高層建筑結構的特點

高層建筑主要是指建筑物自身高度達到28m以上或者建筑物層數達到10層以上。從專業角度來講，高層建筑為豎向懸臂結構，在垂直荷載與水平荷截的影響下，建筑的混凝土結構可產生彎矩及強大的軸向力。從建筑受力特性角度來看，隨著建筑物的高度增加，若垂直荷載方向不變則不會增加建筑的引起量，進而也不會對建筑水平荷載產生任何影響，若建筑的載荷均勻分布時，建筑物的高度與彎矩是呈二次方變化的。而從側移性角度來講，建筑物的豎向荷載不會引發明顯側移，當建筑物的水平荷載呈均勻分布時，建筑物的高度與側移大小是呈四次方變化的。可見水平荷載是影響高層結構的重要因素，也是結構設計的主要控制因素。

2 高層混凝土建筑抗震結構設計的要求

通常在高層混凝土建筑抗震結構設計中要求提升高層混凝土建筑的抗震效果，確保在遇到較強地震時建筑物不發生傾倒或通過維護檢修后可繼續使用，遇到輕微地震時不會損傷整體結構并能保持穩固。

因此，就對高層混凝土建筑抗震結構設計提出了較高的要求，在設計過程中必須對各方面因素進行綜合考慮，做到剛柔配合，使高層混凝土建筑能夠科學合理受力，同時進行有針對性的規劃和設計，以“強剪弱彎”的設計原則使高層混凝土建筑抗震結構的穩定性得到進一步提高。一方面，在高層混凝土建筑抗震結構設計時應把握好剛度值，通過對剛度值精準的分析和計算，全面了解實地情況、質地組成、機械設備參數等，以計算高層結構整體剛度，有利于提高抗震效果；另一方面，設計師在設計高層建筑結構時，應對核心構件及連接點的受力情況引起重視，采取有效的處理措施對其進行調整、優化，以達到防災減震的目的，盡可能減少地震所帶來的損失。同時，在高層混凝土建筑抗震結構設計時，為確保其剛度和強度適宜，應進一步改善其結構的延展性，從而保障高層混凝土建筑抗震結構的抗震

效果。

3 高層建筑地震時破壞特征分析

3.1 地基破壞特征

如果建筑的地基正處于軟土層區域，因土體液化易引起基礎沉降，而導致建筑結構易發生破壞，如建筑傾斜等現象。對于少數修筑在危險地段的建筑而言，若該區域發生地震則可導致建筑出現不均勻沉降或者建筑墻體裂縫。除此之外，如果高層建筑所設計的結構周期與場地周期一致，則發生地震時可能會出現共振效應，從而嚴重破壞建筑物的結構系統。

3.2 結構體系破壞特征

對于部分高層建筑采用的鋼框架填墻結構，若該地區發生地震災害，則比較容易導致建筑平面內框架柱出現剪切型損壞，且在建筑窗下墻作用下導致其部分窗洞出現短柱性損壞。長期調查發現，一般性地震不會對建筑框架剪力墻結構帶來太大的影響。而底框結構剛度較低，在發生地震時結構破壞較嚴重，因框架填墻結構中敞開式的底層框架，未砌墻時剛度較低，因此會嚴重破壞到其底層。

3.3 剛度破壞特點

若建筑主體結構采用不對稱的平面形狀，如L形、Y形等，在發生地震時易發生扭轉，從而加重地震破壞程度，因此建筑平面形狀宜規則、對稱、簡單，同時平面長度不宜過長，對于不規則的平面布置不宜采用。若建筑平立面不規則、體型復雜，應根據地基基礎條件、不規則程度及技術經濟等因素進行綜合性分析比較，有利于確定是否設置防震縫。

3.4 構件的破壞特點

若建筑采用的是框架剪力墻結構，一般框架柱對地震的抵抗力較強，主要因框架柱設置了螺旋箍筋，因此層間位移角較大，而剪力墻的窗臺下部位置易發生交叉性裂縫。

4 高層混凝土建筑抗震結構設計的方法

4.1 科學選定建設位置

科學選定高層混凝土建筑的建設位置至關重要，關系著高層混凝土建筑的抗震性能，故應對項目區域的地質災害情況進行綜合性分析，科學合理地選擇高層混凝土建筑的建設位置，一般高層混凝土建筑不宜選擇在山坡和丘陵，主要因這些區域的抗震能力不強，對建筑的抗震設計十分不利。同時應避免建設在距離變電站、電廠較近的區域，以避免建筑因周邊環境而受到影響。

4.2 改進結構設計方案

根據我國現行的建筑工程抗震的相關規范和標準，高層混凝土建筑抗震結構設計中應改進結構設計方案，主體結構要能抵御空間的變形，且在結構延伸變化時可恢復，有利于確保高層混凝土建筑的穩定性，避免高層混凝土建筑結構變形時產生形變。在評價高層混凝土結構在地震作用下所受到的影響時，應對各結構部分進行綜合考慮，并進行科學合理分析，使高層混凝土各部分的受力情況得到有效控制，從而提升建筑的抗震性能。同時對于高層混凝土的豎向結構受力應引起重視，使高層混凝土建筑符合剛度設計的相關要求，有利于保障受力平衡，從而提高高層混凝土建筑結構的穩定性。

4.3 抗震加固設計

一般情況下，在高層建筑設計時都會明確建筑抗震級別，因此在高層建筑設計時除了滿足必要的剛度、延性要求，更重要的是要達到標準剛度。由于高層建筑自身的鋼筋混凝土重量比較大，整個建筑的高度必須與底層柱軸力呈正比關系，這對建筑主要構件的延性要求就相對較高，在已確定成高的情況下，增強構件的延性主要通過調整軸壓比的方式來實現，但軸壓比不能太大，否則會導致結構短柱，使延性受到限制，若遭遇強烈的地震，易破壞剪切性，因此必須進行抗震加固設計，以防止建筑整體倒塌。

4.3.1 使用螺旋復合箍筋。一般框架柱的抗剪能力應符合強剪弱彎和剪壓比，根據強柱弱梁限值的標準，柱子端部的抗彎能力必須滿足這一條件，而在強剪弱彎和強柱弱梁時，短柱不會破壞剪切性，螺旋復合箍筋的優點體現在可使柱子的抗沖剪能力和短柱抗震性能得到有效提高。

4.3.2 選用分體柱。由于建筑的短柱所具備的抗剪性能低于抗彎性能，因此當出現地震時建筑的短柱尚未發揮抗彎性能時便出現明顯的剪性破壞，因此在設計過程中應確保短柱滿足抗彎的屈服強度。基于此，筆者認為可沿著短柱體豎向設縫，且將短柱劃分為多個分體柱，然后在分體柱的配筋中合理分布一定數量的連接鍵（如通縫、分隔板、摩擦阻尼器等），這樣便可在一定程度上增強構件的剛度及抗震性能。即便是采用分體柱無法有效增強柱子的抗堿性，但能使抗彎能力降低并能使柱子的抗變形能力提高，可將短柱轉變為長柱，從而使短柱的抗震能力增強。

4.4 控制扭轉效應

地震會對建筑產生扭轉力、豎向力和水平力，建筑物在各方向力的作用下會受到嚴重破壞。因地震發生具有隨機性和突然性，因此難以預測地震的發生時間及強度，并且還會受到很多未知因素的影響，故在高層混凝土建筑結構抗震設計時，應注意防護其豎向力和水平力，應用考慮扭轉力作用，對于抗震結構位移應提高要求，為確保混凝土建筑整體位移的一致性，應對最大和最小位移結構的剛度進行測定。同時，應分析建筑的整體抗震性能，若發現存在隱患應及時采取糾正措施，使高層混凝土建筑的抗震性能得到保障。

5 結語

總之，隨著我國經濟的發展，為了滿足人們的居住要求，一幢幢高層建筑拔地而起，這就要求高層混凝土建筑具有更高的安全性、穩定性。因此，在高層混凝土建筑結構設計中必須對抗震結構設計引起重視，在規劃設計過程中，不僅要對建筑物建設區域的地質條件進行全面分析，還應動用科學的方法使高層混凝土建筑結構的抗震性能得到進一步提升，才能夠使人們的生命及財產安全得到保障。

參考文獻

[1] 邢杰.鋼結構室內加層用于高層混凝土建筑中的抗震分析研究[J].工程抗震與加固改造，2015，（1）.

[2] 冉超，桑超，張濤.高層混凝土建筑抗震結構設計解析探析[J].科技風，2015，（19）.

[3] 伍云天，姜凱旋，葉鵬.新規范下鋼筋混凝土超限高層建筑性能化抗震設計方法研究[J].建筑結構，2014，（18）.

作者簡介：吳其彪（1982-），男，廣西貴港人，供職于華藍設計（集團）有限公司，研究方向：建筑結構設計。

（責任編輯：小 燕）