高層建筑結構抗震設計問題及優化策略

杜 曉 丹

(山西中方森特建筑工程設計研究院，山西 太原 030006)

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高層建筑結構抗震設計問題及優化策略

杜 曉 丹

(山西中方森特建筑工程設計研究院，山西 太原 030006)

結合上海環球金融中心的結構設計，介紹了高層建筑抗震設計中存在的問題，從結構體系、結構均勻性、結構延性三方面，探討了高層建筑結構抗震設計的優化策略，以此增強高層建筑結構的抗震性能。

抗震設計，高層建筑，抗震設防烈度，重力荷載

0 引言

在高層建筑施工中，因其結構設計較為復雜，所以，對工程結構抗震設計要求較高。而在具體的抗震設計工作中，為了滿足結構設計要求，應參照《抗震設計規范》，實施具體的高層建筑結構抗震設計工作。同時，在高層建筑結構抗震設計工作中，從多角度入手了解結構抗震特點，且分析結構中構件延性、結構體系、剛度分布、房屋體型等抗震薄弱環節，對其進行彌補，達到最佳的抗震設計效果。以下就是對高層建筑結構抗震設計難點的詳細闡述。

1 高層建筑結構抗震設計存在的問題

就當前的現狀來看，高層建筑結構抗震設計存在的問題主要體現在以下幾個方面：

第一，結構體系問題。即在我國高層建筑結構設計中，為了滿足居民需求，注重在150 m以上的建筑設計時，采取框—筒、筒中筒、框架—支撐體系結構設計方法。但因這三種結構設計方法涉及到了鋼結構的使用，而鋼結構在超過一定高度后，質量會隨之減小，并表現出柔軟的特點。所以，將影響高層建筑結構抗震性能。為此，應在高層建筑結構體系具體設計過程中把鋼骨混凝土作為建筑結構材料；

第二，抗震設防烈度較低的問題。即在我國高層建筑結構設計中，界定中震是指50年內超越概率為10%的地震烈度，抗震設防烈度較低。同時，始終秉承著“小震不壞，中震可修，大震不倒”的建筑結構設計原則。此種建筑結構設計方法，遠不如發達國家。所以，應針對抗震設防烈度較低的這一問題進行解決，并嚴格規范建筑結構抗震設計中梁柱承載力、軸壓比、配筋率等各項參數[1]；

第三，高度問題。即因部分建筑企業在高層建筑施工過程中，基于建筑層數的不斷增加，開始表現出違反現行技術規程的行為。如，延性要求、材料性能、荷載取值超標現象，影響到了建筑結構整體抗震水平。

2 高層建筑結構抗震設計優化策略

2.1 結構體系優化設計

在高層建筑結構設計過程中，為了進一步提高高層建筑結構抗震設計水平，注重優化結構體系設計是非常必要的。

首先，在結構體系優化設計中，應合理布局樓層蓋梁系，即把其與構件墻、柱之間的垂直間距縮到最短，繼而在建筑結構中，可更好的傳遞垂直重力荷載，并保持豎向構件重力荷載應力水平均勻性，避免應力的二次轉移行為，影響高層建筑結構抗震性能。同時，為了滿足抗震要求，在高層建筑結構體系優化中，應以“連貫性”為指導思想，科學部署剪力墻、筒體、支撐、框架等各個結構，讓它們豎向重力荷載的傳遞更加均勻，起到最佳的抗震效果。

其次，因框架—剪力墻結構更具備抗震能力，所以，在結構體系優化中，應采取框架—剪力墻結構設計方法。而在框架—剪力墻結構具體設計中，應以雙向抗側力體系設計方式，保證兩個主軸方向側向剛度、水平承載力適宜性，且保持兩個主軸方向均部署相應的剪力墻，避免相差懸殊所引起的結構扭轉問題，達到最佳的結構抗震設計效果。同時，基于框架—剪力墻結構設計工作開展的基礎上，應嚴格按照《高規》要求，控制剛度設計問題。即當框架部分地震傾覆力距是結構的10%時，應以剪力墻結構為標準，展開框架—剪力墻結構設計工作。當框架部分地震傾覆力矩是總地震傾覆力距的10%～50%時，應以框架—剪力墻結構為標準，展開高層建筑結構設計行為，而當數值超過80%時，應在采取框架—剪力墻結構設計方法的基礎上，科學控制建筑高度[2]。

再次，在框架—剪力墻結構設計中承載力調整時，應按照公式：Vt≥0.2Vo進行控制。其中，Vo為總剪力；Vt為地震總剪力，Vt.max為總剪力中的最大值，最終通過各個框架總剪力的科學控制，達到較好的抗震設計。

2.2 結構均勻性優化設計

在高層建筑結構抗震性能具體設計中，為了保證建筑使用安全性，注重保持建筑結構剛度均勻性也是非常必要的。

首先，在建筑結構均勻性設計中，應做好主體抗側力結構的設計工作。即遵從“相近”原則，科學部署建筑主體抗側力結構的兩個主軸方向，繼而通過兩個主軸方向的剛度均勻性部署方法，應對地震作用。即地震作用表現出風荷載方向任意的特點[3]。所以，若采取主軸方向剛度相近的設計方法，可進一步增強高層建筑抗震性能，達到最佳的建筑結構設計效果。

其次，待主體抗側力結構設計完畢的基礎上，應以“均勻性”為指導思想，展開主體抗側力結構構成和豎向斷面的設計工作，這種結構設計方法可滿足高層建筑抗震要求。

再次，在高層建筑結構優化設計中，為了有效預防地震作用，應在主體抗側力結構平面部署時，盡量保持同一主軸方向剛度的均勻性，避免因一、二片剛度較大的問題，造成地震時應力集中，發生建筑坍塌事故。

2.3 結構延性優化設計

在高層建筑結構設計中，注重結構延性的優化設計也可增強高層建筑抗震性能。而在高層建筑結構延性優化具體設計中，若采取的是鋼筋混凝土框架結構設計形式，那么應在高層建筑施工中，遵從抗震性能設計要求，以“強柱弱梁”的設計方法，優化高層建筑結構延性，避免地震發生時對建筑結構造成破壞。此外，因配箍特征值過大時，高層建筑結構中的構件會表現出變形問題，影響建筑抗震效果。為此，應在結構優化設計期間，以剪壓比限值的優化設計方法，提高高層建筑結構延性，達到最佳的結構抗震設計目的。

3 抗震設計實例

上海環球金融中心，在建筑結構設計中，因其建筑總高度是492 m，屬于復雜的系統工程。所以，在上海環球金融中心結構抗震設計中，把厚度是4.5 m的底板作為塔樓基礎[4]。同時，遵從《高層建筑混凝土結構技術規程》設計要求，對這一高層建筑結構的抗震部分進行了優化設計，采取了巨型結構體系設計方法，并在三維矩形框架結構設計中，注重保持每個主軸方向剛度的均勻性，且以三重結構設計方法，抵抗高層建筑結構中水平荷載。此外，在上海環球金融中心抗震設計中，注重保持建筑中的1層～5層周圍設有剪力墻，而6層周邊是矩形柱，且在各個框架結構設置帶狀桁架，增強建筑結構抗震性能。

從以上的分析中即可看出，基于保持高層建筑框架—剪力墻結構優化設計的基礎上，可更好的控制建筑主體各軸向均勻性，增強主體抗震性能。所以，應強化對其的落實。

4 結語

高層建筑結構抗震設計工作的展開關乎著人們生命財產安全。所以，在高層建筑建造數量逐漸增多的背景下，應從結構體系優化設計、結構均勻性優化設計、結構延性優化設計三個方面入手，進一步優化建筑框架—剪力墻的設計過程。同時，在滿足結構造價、重量要求的基礎上，保證結構方案設計中裂縫最小、撓度最小，最終通過科學的設計，增強高層建筑結構抗震性能，避免因地震災害造成高層建筑坍塌，威脅人們生命安全。

[1] 曾建寧.高層建筑結構抗震設計優化措施探討[J].科技創新導報，2015，21(16)：84.

[2] 姜桂榮.淺析高層建筑抗震結構設計現狀與優化方法[J].科技經濟市場，2015，12(6)：208.

[3] 丁潔民，吳宏磊，趙 昕.我國高度250 m以上超高層建筑結構現狀與分析進展[J].建筑結構學報，2014，13(3)：1-7.

[4] 鐘銀玲.高層建筑結構抗震的優化設計及趨勢[J].江西建材，2013，15(5)：35-36.

The seismic design problem and optimization strategy of high-rise building structure

Du Xiaodan

(Shanxi Zhongfangsente Architectural Engineering Design Institute, Taiyuan 030006, China)

Combining with the structural design of Shanghai world financial center, this paper introduced the existing problems in high-rise building seismic design, from the structure system, structure homogeneity, structure ductility three aspects, discussed the optimization strategy of high-rise building structure seismic design, in order to enhance the seismic performance of high-rise building structure.

seismic design, high-rise building, seismic fortification intensity, gravity load

1009-6825(2017)16-0059-02

2017-03-14

杜曉丹(1983- )，女，助理工程師

TU352

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