高層建筑結構抗震設計和加固措施研究

王 凱 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

近些年來，隨著社會經濟的發展和城市化進程的加快，建筑行業得到了飛速發展，尤其是高層建筑項目越來越多，高層建筑項目的不斷增加在改善人們居住、辦公環境的同時，也存在諸多隱患，例如由于高層建筑容納人數較多、建設成本較高，如果建筑結構抗震設計不合理，一旦遇到強烈地震很容易威脅到人們的生命財產安全，所以對于設計方來講，必須要重視建筑結構設計，結合工程實際情況，把握好建筑結構設計要點，提高建筑工程整體質量和抗震強度。

1 高層建筑結構抗震設計常見問題

1.1 建筑高度超出規定建設標準

我國國土面積較大，東西南北橫跨區域較廣，對于建筑行業來講，區域差異較大，故而不同地區對于建筑物高度要求存在一定的差異，不同地區對建筑物高度有明確的規定和限制。對于建筑方來講，必須嚴格按照規定和限制施工。但是從現實情況來看，一些建筑企業一味的追求經濟效益，使得建筑物超出預期高度，間接影響建筑抗震水平，一旦發生強烈地震，“超標”建筑受地震外力的影響很容易發生變形或破壞，影響建筑安全性。

1.2 建筑地基選擇不合理

隨著城市化進程的加快和社會基礎設施建設的不斷完善，我國建筑用地逐漸緊張，對于房地產企業而言，項目開發過程中，開發單位通常過于看重項目商業價值，從而忽視了施工現場地基結構、水文地質等因素，甚至缺少對項目所在地地質構造情況的分析，間接給高層建筑地基勘察、處理等工作帶來一定困難。

1.3 施工過程中施工材料選擇問題

高層建筑設計施工過程中，材料的選擇直接影響到建筑抗震水平和整體質量，尤其是對于板塊交接地帶，地震災害頻發，對于這些區域而言，建筑施工材料必須謹慎選擇，現階段我國建筑行業施工材料主要是鋼筋和混凝土，這兩種材料如果設計出現問題，很容易導致建筑結構變形，所以必須采取有效舉措來提升高層建筑結構混凝土強度，或者通過設計強化結構抗側移能力。

1.4 建筑抗震設防烈度強度不足

抗震設防烈度是對建筑物本身抗震性能的特殊要求，一方面，抗震設防烈度與當地地震基本烈度有關，另一方面還與建筑本身要求有密切關系，具體的抗震設防烈度需要參照《建筑抗震設計規范》。近些年，隨著建筑行業的發展，過去的結構設計已然無法滿足人們對于建筑本身的需求，尤其是建筑抗震方面還有較大的提升空間，所以必須進一步的規范標準，通過抗震設防烈度強度提升來有效提高高層建筑抗震性能。

2 高層建筑結構抗震設計

2.1 選擇合適的抗震施工場地

地震不僅會引起地表錯動，還容易引起地基不均勻沉降、滑坡等，所以高層建筑首先必須選擇抗震強度較高的區域，避開抗震不利區域，如果實在無法避免在抗震不利區域施工，則要采取必要的抗震加固措施。按照抗震設防烈度要求強化建筑地基、建筑上部結構剛度，同時根據所在區域地基液化登記部分消除或則是全部消除液化沉降。如果建筑所在地區地基主受力層周圍有軟弱性土層、新填土或不均勻土層，必須使用樁基、地基加固，合理估計地震發生時地基不均勻沉降和可能發生的其他不利影響，對于可能出現地基滑移、地裂的場地要輔助穩定措施。

2.2 多設置抗震防線

高層建筑受強地震影響后還有可能遇到多次余震，所以如果建筑結構抗震設計僅僅設置一道抗震結構，則無法抵御后期多次余震影響。所以建筑抗震設計時要多增設抗震防線，抗震結構必須由多個具有良好延展性的結構體系構成，同時保證各個延展性結構之間良好銜接協同工作，這樣可以保證建筑在受到強震影響時，各個方向的能力可以得到最大限度的釋放，提升整體抗震性能。

2.3 提升建筑短柱抗震性能設計

2.3.1 提高短柱受壓承載力

短柱受壓承載力的提升可以大幅減小短柱截面、提升剪跨比，而這種設計要求混凝土強度等級大幅提高，所以需要使用高強度混凝土增加短柱受壓承載力，進而降低軸壓比。當然通常高強度的混凝土材料延性相對較差，所以需要使用鋼骨、鋼管土柱等結構來輔助。

2.3.2 鋼管混凝土柱的使用

鋼管混凝土柱是一種套箍混凝土組合結構材料，將混凝土填入薄壁鋼管中形成的一種特殊結構。混凝土在鋼管內部受其側向約束力的影響處于三向受壓狀態，可以大幅提升材料抗震強度和極限壓應變效果，在使用這種結構時鋼管管徑、管壁厚度比不宜超過90，且配筋比不宜超過4.6%。

3 高層建筑結構抗震措施

3.1 建筑本身加固

高層建筑結構自身加固主要借助鐵把鋸加固、壓力灌水泥加固、壓力管環氧樹脂漿加固等。

以鐵把鋸加固法為例，這種加固法主要是針對建筑存在裂縫的磚墻進行加固從而起到抗震效果，鐵把鋸通常用直徑6mm的鋼筋折彎制成，鐵把鋸長度需比磚墻兩側裂縫多出200mm，然后將兩端折成100mm的直鉤。

3.2 建筑外包加固

高層建筑外包加固主要有四種方法。

①鋼筋混凝土面層外包加固。這種加固方法主要應用在鋼筋混凝土磚柱、梁柱、磚墻加固；

②水泥砂漿面層外包加固。對于那些不需要大幅提升抗震性能的建筑磚墻結構可以使用這種加固方法；

③鋼筋網水泥砂漿面層加固。對于那些不需要支撐模板的磚墻、磚柱可使用這種加固方法，并且鋼筋鋪設完成后可分層抹灰完成加固，加固方法更加簡便有效，使用這種方法需要根據室內、室外環境確定受力鋼筋砂漿保護層厚度，具體如下表所示；

④鋼筋件網籠加固。對于建筑磚墻煙囪、鋼筋混凝土梁柱、磚柱加固處理可以使用這種方法，使用鋼筋件網籠加固需要提前做好防銹準備，如果施工現場環境濕度較大則不能使用這種加固措施。

鋼筋網水泥砂漿保護層加固最小厚度（單位：mm）

3.3 增設構件加固

構件增設應當在建筑原有結構構件的基礎上，適當的增加一些新的構件用于提升高層建筑結構抗變形性能、抗震性能。選擇構件必須要充分的考慮新增構件對建筑整體結構動力性能可能產生的影響，加固措施具體操作流程如下。

首先需要新增設墻體，如果建筑抗震橫墻間距規定值較大，并且建筑墻體承載性能較低，則可使用這種加固方法。新增墻體選擇為砌體墻后鋼筋混凝土墻體；

其次新增柱，通過增設外加柱子提高建筑墻體抗顛覆性能，如果建筑抗震承載性能差距較小，則可用鋼筋混凝土柱子、拉桿、圈梁等構件連接柱子；

再者新增拉桿，新增的拉桿主要應用到加固受彎構件、縱橫墻連接處，同時在新增拉桿的基礎上還需新增支撐系統，如新增天窗架子、柱間和屋蓋等構件，進一步提升建筑整體抗震性能；

最后增設圈梁，如果高層建筑抗震圈梁規格與質量不滿足抗震要求，需要借助鋼筋混凝土和圈梁、板底鋼筋混凝土和內墻圈梁做加固處理，而建筑外墻圈梁需要沿著建筑周邊形成閉合系統，和內墻圈梁共同作用。

4 結語

總的來講，高層建筑結構抗震設計對于建筑使用壽命至關重要，通過科學抗震設計可以有效的降低強震對高層建筑的損壞，對于設計人員而言，在設計建筑結構時必須嚴格按照《建筑抗震設計規范》，把握好高層建筑抗震設計要素，通過建筑自身加固、外包加固、新增構件加固等措施提高和優化建筑抗震性能。