高層建筑結構抗震分析和設計的探討

胡昌德

（酒鋼集團甘肅筑鼎建設有限責任公司，甘肅嘉峪關 735100）

近年來，我國建筑行業發展迅速，高層建筑越來越多，而為了應對頻繁的地震災害，高層建筑結構設計與布局都需要考慮抗震性，這使得高層建筑結構設計越發困難。對于高層建筑工程抗震設計工作而言，抗震分析是十分重要的，其實抗震設計的基礎，為了保證建筑結構能夠實現安全抗震，施工單位必須要重視高程建筑抗震分析和設計工作，為其施工建設和使用奠定良好的基礎，同時增加高層建筑的經濟效益和社會效益。

1 高層建筑結構抗震概述

我國當前使用的高層建筑抗震計算基于予多遇地震情況提出的一種計算方法，在反應譜理論指導下所設計的，并應用彈性方法對其內力、位移展開計算，采用極限狀態方法對構件進行設計。

高層建筑結構抗震設計要考慮以下幾點：場地、地基合適性，選擇合適的地理位置建設；地震衍生傷害規劃，通過合理規劃預防地震引發的衍生災害；結構合理，考慮建筑抗震的設防烈度、類別、材料、高度等因素；非結構構件做好處理，包括建筑非結構構件及其主體連接、附屬機電設備等構件的計算處理[1]。

2 高層建筑結構設計原則

高層建筑結構設計原則具體體現在以下幾點：

（1）因地制宜。設計前要仔細勘察建筑物周邊情況，包括地形、地基荷載等情況，確保建筑設計能夠有效落實。

（2）誤差合理。在設計高層建筑結構前，首先要計算簡圖，以確保建筑結構設計符合用戶要求，同時能夠通過簡圖計算了解其中的不足，進行改進，提高建筑結構安全性。因此，在設計時，要將結構設計盡量控制在標準范圍內，通過準確的簡圖計算時結構設計更加完善。

（3）功能完善。高層建筑類型不同，其功能也有所不同，因此，設計人員要根據用戶實際要求來設計建筑結構，滿足不同建筑在功能上的各種需求。

（4）建筑延性。高層建筑在抗震方面有著較高的要求，因此，設計施工時需要注意建筑延性要求，利用施工材料、設計和機構特點等完善高層建筑的功能，提高其延性。

3 高層建筑結構抗震分析設計中存在的問題

3.1 地基問題

有些高層建筑的場地屬于較厚的軟弱沖擊土層，這類土層對建筑地基破壞力比較大。而且，地基由于受到土液化影響出現沉降現象，影響了上部建筑，嚴重的甚至會導致整個建筑傾斜。高層建筑的建設位置一旦處于危險地段，極易發生由于地基問題而導致的結構破壞現象，若是建筑結構周期與場地自振周期重趨同，引發共振效果會加大建筑破壞力。

3.2 高度問題

當前我國使用的高層建筑混凝土結構技術相關規定指出，在一定的設防烈度和結構形式基礎上，鋼筋混凝土高層建筑有相應的高度標準，該高度需要根據我國的建筑水平、經濟水平以及施工水平等來決定，這種方法被大部分建筑學家所認可[2]。但是，現階段高層建筑在建設時，很多建筑的高度超過標準高度，一旦遭遇地震，這些超高建筑極易發生變形現象，建筑物也會迅速被破壞，整個建筑的安全都會受到影響。

3.3 結構體系問題

高層建筑結構一般是框架結構或是框架與抗震墻結構，而鋼筋混凝土框架平面內柱的上部分極易出現剪切破壞現象，窗洞部位外墻框架柱在窗下墻體影響下出現短柱形剪切破壞問題。如果高層建筑應用的是抗震墻結構，產生的破壞性就比較小。如果應用的是底框結構，建筑底層由于剛度低所遭遇的破壞性比較大。如果應用的是框架結構，底層為敞開式框架間，且沒有磚墻，建筑底層就會遭遇嚴重破壞[3]。如果應用的是鋼筋混凝土土柱結構，樓板一旦受到沖切，或是樓層出現較大的側移現象，柱腳就會被破壞，各層樓板會出現掉落、重疊現象。

3.4 抗震設防烈度不高

對于高層建筑抗震設計而言，很多建筑學家指出，當前的建筑結構抗震設計已經無法滿足當前我國的建筑行業發展需求，對我國的高層建筑建設的幫助不大，因此，我國必須要提高建筑設計水平，重視其抗震分析和設計工作。當時，現在我國的建筑結構抗震設計發展不暢，設計人員不重視抗震設計，設計時不遵循抗震設計原則，抗震計算和構造措施也不夠嚴謹，特別是軸壓比、配筋率、承載力等方面的計算。

4 高層建筑結構抗震設計分析

4.1 降低地震能量輸入

在進行高層建筑抗震設計時，可以采用位移結構抗震方法，對設計方案進行定量分析，保證結構變形彈性與預期地震作用變形要求相符合。在驗收構件承載力時，需要計算結構地震下的高層建筑層間位移限值，并根據建筑物結構位移及其變形關系確定構件的變形值[4]。根據建筑物應變分布情況明確構件構造標準。對于高層建筑來說，施工場地必須要堅固，以降低地震能量的輸入，減少地震對高層建筑的破壞。

4.2 實行平立面設計

建筑結構與布局直接決定建筑物動力性能，因此，建筑結構布置必須要遵循標準規范及合理原則，以保證房屋建設的安全。因此，在進行高層建筑抗震設計時，可以采用平立面設計方法，該設計要求建筑要對稱、規則，具備適當的剛度與質量，以防止出現樓層錯層的現象[5]。同時，對變形鏈也要合理設置，防止建筑變形。在進行結構設計時，需要預算地震影響及其產生的傷害程度，對薄弱部位需要采用抗震構造，尤其是高度及其高度比需要合理設計配置，設計要負荷規范。

4.3 控制好結構變形

高層建筑結構變形直接影響著氣抗震能力，一旦發生地震，在水平震動力下，建筑物會出現側移，使得建筑物結構變形，甚至被破壞。因此，必須要重視結構類型考察工作，采取針對性加固方法降低建筑結構由于地震而出現的變形現象。實踐證明，在評估高層建筑損壞程度時，間層側移角度指標十分重要，其計算需要按照公式進行，在規定標準內即可。此外，還需要控制建筑結構側移現象，一般是通過縮小框架梁距和柱距，應用彎剪雙重抗側力體系、采用立體構件、圍護結構、交錯布置等方式，并使用雙曲線圓筒和加大寬度來控制建筑結構側移。

4.4 設置抗震防線

設置抗震方向有利于提高高層建筑結構抗震力，在抗震體系中，受到地震的影響，一些延性好的構件所發揮的作用也比較大，能夠對抗震工作提供較大的幫助，其他構件也發揮著抗震防護作用[6]。而通過設置多層的抗震防線能夠有效降低建筑抗震性，降低地震對建筑的破壞，即使第一道防線被破壞，還有其他道防線能夠保護建筑物。在設計高層建筑抗震結構時，可以采用多肢節、壁式框架剪力墻結構起到抗震作用，其中框架剪力墻就是多層抗震防線結構，剪力墻為第一層防線，通過設置多個剪力墻結構提高建筑承載力，增強建筑抗震性。

4.5 注重薄弱環節的設計

對于高層建筑結構而言，其設計必須要重點考慮薄弱環節，降低其對建筑整體的影響力。對此，需要明確薄弱位置，保證其不僅能夠具備變形能力，同時也需要計算好改部位的構件實際承載力，判斷薄弱層的抗震效果，控制好薄弱部位承載力與彈性受力比，減少由于受力過大而導致構件變形，出現建筑坍塌現象。

4.6 合理選擇設計方案

合理選擇設計方案是建筑結構設計的重點環節，為后續工程進行奠定了良好的基礎。因此，為了能夠得到高層建筑結構標準，設計人員要選擇最優方案，并不斷優化設計方案，設計時需要綜合考量各種因素，確保建筑結構設計是在相關規范和制度基礎上實現的，盡量閉避免超高設計。同時，在設計建筑結構時，設計人員需要對現場環境和施工情況進行仔細的考察，特別是地下水、地質條件、荷載等情況，并根據實際情況設計最優建筑結構，為施工和應用提供保障。而為保證建筑水平力，設計時可以通過設置嵌固端以及短肢剪力墻來實現，增強建筑穩定性。此外，在進行延性設計時，高層建筑一般會設置防控空間和地下空間，這些設置會影響高層建筑延性，對此，設計人員需要對建筑的抗震等級以及嵌固端剛性比例等把握好，控制好結果的剛性變形范圍，降低其共振性，盡量減小結構的剛性設置，這樣才能夠使高層建筑結構本身延性上升，進而增強其抗震性能。

5 結束語

近年來，建筑行業進入新的發展階段，為了提高高層建筑質量，必須要做好結構設計，提高高層建筑的抗震性。在進行高層建筑結構抗震設計時，需要根據具體的建筑物情況來設計抗震結構，通過對建筑地基承載力、構件承載力、材料選擇等分析，就高層建筑結構抗震設計提出降低地震能量輸入、實行平立面設計、控制好結構變形、設置抗震防線、注重薄弱環節的設計、合理選擇設計方案等方法，確保抗震設計能夠符合建筑要求，降低地震對高層建筑的破壞性。