高層建筑抗震結構設計

馬 旭 蒙武楠 李文碩/華北理工大學

高層建筑抗震結構設計

馬 旭 蒙武楠 李文碩/華北理工大學

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在我們的生活之中。由于我國有許多地區(qū)都處于地震頻發(fā)地帶，所以高層建筑結構在抗震設計方面的問題變得尤為突出。本文針對高層建筑結構在抗震設計中出現(xiàn)的問題及所采取的具體措施進行闡述，以期能夠為高層建筑結構能夠在地震發(fā)生時減少損失做出貢獻。

高層；建筑結構；抗震設計

一、高層建筑物在抗震設計中存在的問題

（一）高度規(guī)范問題

高層建筑結構在目前的工程領域中被廣泛應用，在許多引起結構破壞的影響因素中，地震荷載是主要原因之一，建筑結構抗震設計是經(jīng)過長期結合建筑結構的實踐和經(jīng)驗總結出來的設計思想。在高度規(guī)范上，雖然我國制定了相關的法律法規(guī)以保證高層建筑能夠達到‘小震不壞，中震可修，大震不倒’的級別，但是從現(xiàn)階段實際執(zhí)行情況來看，許多地區(qū)為了追求更高的經(jīng)濟效益，使得高層建筑的高度遠遠超過了科學合理的范圍，導致在遭遇地震時，這些違規(guī)高層建筑往往不能有效抵抗地震威脅。

（二）抗震材料問題

高層建筑在設計時，結構材料的選擇是非常重要的，必須要測量材料的抗震能力，要做到綜合考慮材料參數(shù)的變化、地震烈度以及認識材料的模糊性等等。在發(fā)達國家，地震多發(fā)地帶的高層建筑多采用鋼架結構，以期提高建筑的穩(wěn)定性和安全性。但是我國很多地震區(qū)域的高層建筑仍然采用鋼筋混凝土的普通結構，該結構的抗震性能遠不及鋼結構，所以在我國的地震多發(fā)地域應推廣使用鋼結構材料。

（三）施工位置問題

高層建筑物所處的位置的抗震性是建筑物抗震設計的重要依據(jù)，因此，在對建筑物進行抗震設計和建設時設計人員應根據(jù)所在場地的抗震性和有助于抗震設計的場地進行建設。高層建筑要注意選取土質(zhì)比較厚實的場地來建造，這個能夠很好的避免地震能量的輸入，從而可以減輕建筑物的破壞程度。

二、高層混凝土建筑抗震結構設計的要求

（一）良好的結構體系

高層建筑結構體系在設計時，應注意使結構平面布置滿足均勻、對稱、規(guī)整等原則。高層混凝土建筑物各樓層在地震作用下會導致側移，會導致轉動、平移、剪切變形以及彎曲變形，針對不同的結構要采取不同的方法來減小結構的變形。應該采取如下的方法來減小結構側移，采取彎雙重抗側力體系，減小框架的梁距與柱距，在建筑設計時要盡量采取立體結構；通過傾斜里面和扭轉體型，采取圍護結構來增強建筑物的抗震力；在抗震設計過程中，要有意識地控制薄厚層，這種設計既能夠提高建筑結構的抗震性，又避免讓薄弱層發(fā)生變形，大大地提高了高層混凝土建筑物整體的抗震性能。同時，要通過定量的分析和計算對關系到體系整體性能的設計參數(shù)進行優(yōu)化。高層建筑結構形式有許多種選擇，例如框架結構、剪力墻結構等。由于對結構的要求有很多，導致結構的選型十分復雜，所以需要對各方面的因素進行確定，并且要將結構、建筑、經(jīng)濟上各方面的協(xié)調(diào)平衡，才能對結構體系進行優(yōu)化處理。

（二）加固設計

在高層混凝土建筑抗震結構設計中，主要構件要滿足所必需的延性要求，在樓層較高時，通過調(diào)節(jié)軸壓比以增強建筑物的延性，但軸壓比又不宜過小，否則會造成結構短柱，以免限制延申性。同時其延性也會受到影響，在高強度的地震作用下，造成建筑物的坍塌，因而應對高層建筑物進行加固設計。首先，在地震的加固設計中宜選用螺旋復合箍筋，使用螺旋復合箍筋可使柱的抗剪能力和短柱的抗震性能得到有效提高。由于地震時建筑的短柱沒有發(fā)揮抗彎性能時，就會出現(xiàn)顯著的剪性破壞，因為建筑的短柱具備的抗剪性能力低于抗彎能力，所以設計過程中要保障短柱承受抗彎的屈服強度。在強剪弱彎和強柱弱梁時，短柱不會破壞剪切性，繼而提高了短柱的抗震性能。強剪弱彎和剪壓比對應著框架柱的抗剪力，并且柱子頂端的抗彎力要在強柱弱梁值的界限內(nèi)，這樣就可以在強柱弱梁和強剪弱彎的情況下，短柱也不會破壞其剪切性，加強建筑物的抗震能力。由于短柱自身的抗剪性比較弱，在地震時短柱先發(fā)生剪切破壞，其抗彎能力沒有發(fā)揮作用，在設計過程時應注意減小短柱的抗彎力，以平衡其抗剪能力，在地震來臨時讓短柱達到抗彎屈服。為了減弱短柱的抗彎強度，在柱子沿豎向設縫的情況下，可以將其劃分成多個分體柱，并利用通縫或分隔板等連接，增強建筑物的抗震性能，以促進建筑物的抗震加固設計。

（三）建立多層地震防線

高層混凝土建筑的抗震結構性能不是由單一部分組成而是由眾多的延性結構形成的，而且不同的延性結構也不是獨立地工作，比如框剪結構是由剪力墻和框架分體組合而成的多肢剪力墻結構體系，在兩者合作下能在余震發(fā)生時中發(fā)揮作用，從而增加建筑的抗震性能。而增加抗震防線的意義在于即使一道防線破壞，另一道防線也會繼續(xù)發(fā)生作用，減輕地震對建筑物的破壞。通過建立多層地震防線的方式能提高高層建筑抗震的性能，滿足高層對于房屋安全的要求。當高層建筑在遭遇地震時，如果只有一道地震防線，當遇到級別高的地震時，就難以阻擋地震的摧毀和破壞，因此，一定要設置出備用防線，在高層建筑中設置第二道、第三道防線，以防一道地震防線崩潰后造成建筑物的整體崩塌。高層建筑在進行抗震設計時，可以使用多段強框架結構，最常見的是抗震剪力墻設計，該設計因其抗震性能好，因此被廣泛的作為抗震墻的第一層防線，發(fā)揮著最為重要的作用。所以，為了保證墻體的抗震能力足以防止地震的損害，有效減輕地震造成的墻體裂痕或者倒塌，就應當科學建立防震結構，多層防線形成合力。

（四）減震與隔震

在目前的抗震設計和施工中通過加強剛度、韌性與抗地震構造，使高層建筑的結構變得很有韌性，使建筑物在塑性狀態(tài)下減弱地震的影響。在地震釋放能量時，能夠保證建筑物延性結構來進行消震與隔震。同理，當高層建筑物的承載力比較小時，高韌性，高延性可以吸收更多地震所釋放的能量，使建筑物不易發(fā)生變形，合理使用韌性的方法可以減少建筑物倒塌的概率，隨著建筑抗震設計的進步，最近設計出來的阻尼器可以更有效地吸收地震能量。

三、結語

本文介紹了高層建筑抗震設計的概念以及所涉及到的問題，在進行抗震設計工作時，結合施工場地的實際情況，并遵守建筑結構的抗震設計原則。高層建筑在設計與施工對建筑物使用的安全性要求較高，大多數(shù)采用型鋼混凝土結構，主要是該結構有良好的抗震效果。在進行抗震設計時要注意許多因素，設計人員需要考慮建筑結構自身剛度，要考慮施工場地是否存在地震隱患等等。綜上所述，進一步加強建高層筑結構抗震設計的研究和討論，對于高層建筑抗震來講意義重大。

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