高層混凝土建筑結構抗震設計探討

文/肖成龍 中航長沙設計研究院有限公司 湖南長沙 410000

1、引言

隨著經濟的發展和城市人口的不斷增多，高層建筑已經成為了城市居民住址主體，因此高層建筑的結構抗震設計也就成為了當下城市建設當中的首要問題。高層混凝土建筑抗震結構是應用非常廣泛的建筑結構之一，因其良好的抗震能力受到越來越廣泛的應用，對高層混凝土建筑結構抗震設計進行研究和探索具有重要的現實意義。如圖1所示是常用的高層建筑抗震結構形式

圖1 高層建筑抗震結構形式

2、高層混凝土建筑結構特點及地震的破壞特點

2.1 高層混凝土建筑結構特點

高層建筑通常情況下是指具有相當高度的建筑物，一般指10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他民用建筑。由于高層建筑是的形式是高聳的，因而可以將地面以上部分看作懸臂結構。由于高層建筑所受的橫向和豎向荷載較大，導致建筑的彎矩和剪力在控制上有特殊要求。建筑的高度越高，其受到的荷載越大，在進行抗震設計時的要求也就越嚴格。此外由于軸力與建筑的高度成正比，并且因重力二階效應，對水平作用下結構的內力和位移產生增大的效應，因此對于工程建筑結構的結構抗震設計需要考慮水平和豎向荷載的共同作用，從而保證設計的正確性。

2.2 發生地震時高層建筑的破壞特點

地基受到破壞后，高層建筑體會出現傾斜，如果高層建筑位于危險地帶，在遇到地震后，由于地基土層的不均勻性，會導致沉降量出現差別，進而對建筑造成不均勻的受力，使其發生裂縫。此外如果建筑場地的地震周期與建筑結構的自振周期相近，也會導致共振現象，建筑結構產生極大的破壞性影響。建筑結構體系遭到破壞，建筑物內框架上方容易遭到剪切型破壞，窗洞也會出現短柱性破壞。相比而言框架-抗震墻結構遭到地震破壞的程度較小。建筑物主體結構如果采用的是長矩形平面，在發生地震后，發生扭轉振動現象，加劇地震破壞力。而如果建筑物主體結構采用的是L型或者三角形等不對稱平面設計，在扭轉振動的過程中也會加劇地震災害的破壞程度。

3、高層混凝土建筑抗震設計主要問題

3.1 施工設計

高層建筑的施工過程對于整個建筑的抗震性能具有重要的影響。然而在當前許多的高層建筑項目的施工中，為了獲得更大的利益，而不嚴格按照設計高度施工，當高度過高超過設計允許的值，就會導致建筑在遇到地震時無法承受地震荷載，從而更加容易發生倒塌，對使用者造成災難性的后果。另外如果不按設計要求施工，還會影響建筑內部的結構強度，造成安全隱患。

3.2 高層混凝土建筑場地選擇的缺乏科學性

建筑場地的選擇對于高層混凝土建筑結構的抗震性能具有重要的影響，如果高層建筑選取的場地條件不滿足抗震要求，則會對建筑造成影響。然而目前隨著我國城市化進程不斷加快，越來越多的高層建筑工程投入施工，然而對場地的影響分析不到位則會產生危險隱患。因此，高層混凝土建筑在選擇建筑場地時應該對項目建設地點的地質進行勘察，采取措施避免地震時地基基礎的破壞。

3.3 高層混凝土建筑結構體系選擇缺乏合理性

高層混凝土建筑結構抗震體系的選擇是抗震設計的關鍵問題，選取合理恰當的建筑結構體系與建筑的整體安全有著密切的聯系。在實際設計過程中出現以偏概全，因部分結構或構件影響到建筑的整體抗震性能，選擇嚴重不規則的結構體系，沒有明確合理的地震作用傳遞途徑，變形能力和消耗地震的能力不足，而且可能還會出現薄弱部位等一系列問題。所以說結構抗震設計時應特別注重概念設計，運用結構工程師的結構思維和判斷力，從宏觀上決定結構設計中的基本問題。因此，選擇合理的結構體系，對提升建筑抗震效果有著積極意義。

4、高層混凝土建筑結構抗震設計方法

4.1 科學選定建設位置

為了使得高層建筑施工得到可靠的保證，需要對建設的位置進行合理的選擇，區域和位置選擇要綜合考慮建設地區的工程地質和水文地質條件，同時考慮和其他場所及設施的距離，防止對已有的建筑或設施造成影響。另外也要充分考慮場地的建設能力是否達到要求，以保證建筑建成后具有可靠的抗震性能。

4.2 增加多道抗震防線

在高層建筑的抗震體系中，通常是由若干個部分組成，每一個部分都具有較好的延性，互相通過可靠的連接進行協同工作。由于通常情況下，地震發生后會帶來較多的余震，因此為了避免建筑在余震的作用下發生進一步的抗震防線的破壞，需要進行多道抗震防線的設計，最大程度上確保內部、外部贅余度，有意識地建立一系列分布的塑性屈服區，使結構能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復，保證主體結構具有很強的延性和抗側移能力。

4.3 使用多種合理的抗震計算方法

抗震的設計計算需要根據地震的發生概率進行，通常是以該地區的多遇地震的抗震要求進行設計，此外對于特別重要的建筑物還要進行罕遇地震下的抗震設計計算。對于工程建筑存在薄弱層的情況，還要進行地震作用下的彈塑性的變形驗算。同時要計算高烈度地震下結構的層間位移角和延性位移，并根據建筑物構件中位移跟結構的變形關系，最終獲得主要構件的變形數值。

4.4 提高抗震構件的延性

高層建筑的抗震設計時要滿足建筑結構的剛度和變形的要求，以及建筑在荷載作用下的強度要求。然而由于目前高層建筑結構通常采用混凝土進行結構的施工，而混凝土的比重較大，因此對于建筑結構構件的延性也要有要求，以保證高層建筑結構在特定的層高下，可以通常調整軸壓比來進行結構構件的延性調整。一般來講，不宜設置為短柱，因為，因為短柱延性相當有限，易導致剪切破壞，最終會導致整體的倒塌，所以提高構件的延性很重要。

4.5 設置合理的高層混凝土建筑結構參數

在高層建筑的設計中，各個建筑結構參數對于其抗震性能都有重要的影響。通過設置合理的參數，可以保證建筑結構的各個受力構件，包括梁、柱、板等變形和承載能力都達到要求。此外在建筑結構的施工中，質量檢測、施工工藝、施工材料、地形條件、建設位置等方面也具有影響，為了提高高層建筑結構的設計水平，需要對設計中的各個要求進行全面的分析，得出細致的結論。

結語：

在我國目前的發展趨勢來看，高層建筑建造的越來越多，而高層建筑的施工和使用的安全性和可靠性對于建筑本身和使用者都有重要的意義。結構的抗震是高層建筑在進行結構設計時必須考慮的因素，應當引起足夠的重視。不僅要對建筑所處的區域位置、水文地質條件、工程地質條件等因素進行全面的考慮，建筑本身的各項指標也要進行全面的分析，以確保高層建筑的抗震設計達到標準要求。