高層混凝土建筑抗震結構設計問題研究

何 濤 馬 青

（青島旅游集團有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，城市人口不斷增加，為了實現人居環境的要求，不斷涌現很多高層建筑。高層建筑在實現人類居住需求的同時也存在不少需要解決的問題，其中之一是存在的抗震結構設計問題。由于高層建筑受到較大的振動或地震影響，為了確保人居環境的舒適以及建筑安全，務必高度重視其抗震結構設計。

1 高層混凝土建筑抗震結構設計面臨的問題

1.1 不正確地選擇建筑場址

有關單位在選擇高層建筑物地基的情況下，務必把握地基所處的氣候狀況、自然環境、地理位置等，確保萬無一失，盡可能地選擇平坦開闊、牢固、扎實的地基。可是，不少單位常常以松散土壤、軟土等作為地基，如果出現地震，那么建筑物較易坍塌或下陷，從而在一瞬間破壞建筑物的主體構造，使人們的生命受到嚴重威脅。

1.2 不合理地設計建筑物結構

在出現地震的情況下，首先受到嚴重破壞的是建筑物的主體框架結構，然后是建筑物重點受力支柱出現變形。延性結構機制的理論是在建筑物其他位置轉嫁地震受到的破壞性，從而使非彈性形變形成，使結構的次要構件對地震形成的能量進行消耗，從而顯著保護建筑物的整體結構。因為延性結構抗震性能是建筑物抗震結構的主要依托，具備較強的延性能力，具備理想的抗震效果，所以工程技術工作者在設計建筑物結構情況時應注重建筑物延性的提升。然而，在操作實踐中，往往難以理想地設計建筑物的延性結構，如果沒有有效地處理好相關情況，那么造成地震，形成破壞而未曾向延性構件傳遞即消失，從而喪失保護性能，因而難以確保建筑物消耗地震能力，最終破壞建筑物。

1.3 建筑物高度不達標

針對建筑物的高度來說，我國頒布了不少制度與規范，而且要求各建筑單位務必嚴格貫徹實施。然而，依舊存在一部分建筑單位為了實現最大化的利益而存在僥幸心理，屢次違反規范標準，在進行建設時肆意將建筑物的高度提升，超出我國的相關要求或規定，從而大大降低了建筑物的抗震性能，在地震出現的情況下較易大面積、大范圍地破壞建筑物。

1.4 建筑應用不合理的材料

建筑單位采購者需要根據我國要求的指標合理地選擇建筑物應用的一系列材料，確保符合建筑工程，從而實現建筑設計以及建設質量的提升[1]。并且當前高層混凝土建筑結構設計經常應用混凝土核心筒技術，如果有些單位應用不合理的材料和建筑結構設計，那么會導致建筑物形成彎曲變形或者是坍塌的嚴重后果。

1.5 建筑抗震設計缺少足夠的強度

當今，國內根據GB50011—2010《建筑抗震設計規范》進行建筑抗震結構設計，工程技術工作者需要仔細把握與認真貫徹實施其中的要求、規定，確保設計出的建筑抗震強度指標符合相應的規范，且采取有效的對策來提升建筑抗震設計強度，最終使“大震不倒、中震能修、小震不壞”的目標實現。然而，在實際設計中，有的建筑單位的設計強度往往缺少足夠的強度。

2 高層混凝土建筑抗震結構設計的應對措施

2.1 正確選擇建筑場址

高層建筑的安全受到其周邊地基、場地環境等要素的制約。為此，在選擇建筑場地時，開展環境和地質災害評估顯得非常關鍵，特別是應該積極地避免使建筑物面臨地震斷裂帶、滑坡、泥石流等自然環境。如果在進行建設時不能夠避開特殊（軟弱性、液化性、濕陷性）的土層或土壤[2]，應事先根據地基處理技術的有關規范，科學地設計與加固地基。除此之外，務必明確建筑物下面土層的性狀、厚度、分布和類別等，做好高層建筑的地質勘查報告，對于經過地基處理的高層建筑而言，還需要整體性地鞏固與強化其上部結構以及基礎部分，且結合分項系數法在建筑物的一系列受力構件中適度地模擬地震力，從而實現一系列構件抗震性能的綜合性提升。

2.2 選擇適宜的建筑結構體系

在設計高層混凝土建筑結構時，結構體系不僅屬于受力體系，而且也屬于荷載的傳遞體系，與建筑物的安全密切相關。在開始設計其結構時，應全面地思考和探究建筑物施工材料的選擇、內部的應用功能、四周的場地條件和環境等要素，這是由于在地震出現的情況下，各個建筑物由于結構特點的不同，因此其結構破壞狀態也存在區別。

通常重點應用框架、剪力墻、剪力墻和框架相統一模式的高層建筑結構體系。這幾種模式具備各自的缺陷和優勢[3]。其中，剪力墻結構的優勢在于具備較高的承載性能和較大的側向剛度，基于水平力影響下的側移比較小，具備優良的整體性能，而其缺陷在于結構本身種類和體積較大，在布置空間時缺少方便性和靈活性，難以適應大空間的布置需要。框架結構的優勢在于可以靈活地布置室內空間，而其缺陷在于不是非常適宜在高層建筑中應用。并且，框架結構的主導結構是剪切變形的柔性結構，難以實現理想的抗震效果[4]。為此，當今高層建筑中較少應用框架結構。當今，高層混凝土建筑的抗震設計大都應用剪力墻和框架相統一的模式，即有效地體現剪力墻結構和框架結構的優勢作用，確保互相完善、協作分工，將剪力墻添置在比較薄弱的框架結構中，從而實現建筑物本身抗震能力與承載性能的提升。

然而，也面臨相應的風險，這是由于剪力墻跟框架的剛度差異性較大，在碰到外力的一瞬間會形成程度不同和大小不一的位移，因此，在實際應用中應密切注意兩者的變形協調。建構高層混凝土建筑的內部結構也需要堅持實用、簡約、規則的原則，確保整體結構體系具備充足的變形與承載性能，這樣建筑中的各個組成部分能夠相互配合與協調，從而實現整體結構體系的共同支撐，這就要求技術工作者在進行設計時，結合橫向與豎向結構承載性能的區別，加固處理建筑的薄弱之處以及確保布局的合理。像是高層住宅建筑需要比較多的墻體構件，適宜使用的結構是純剪力墻；針對大型綜合體建筑選用筒體結構就可以有效地實現其應用功能；而針對超限和超高層大型建筑物，最為理想的選擇是鋼結構。

總之，高層混凝土建筑抗震結構設計應堅持的基本原則是選用適宜的結構種類，以盡量地實現建筑的應用功能。

2.3 實施合理的建筑結構設計

務必合理地進行結構設計，這是影響高層混凝土建筑抗震結構設計的根本。因此，在進行結構設計時，需要做到以下3 點。1）實施對稱結構設計。非對稱結構由于偏離重心、重量等要素影響，在地震時會形成震動和扭轉現象，這非常容易破壞建筑物，從而大大地降低其抗震能力。為了防止這種情況的形成，務必實施對稱結構的建筑設計。2）實施平面結構設計[5]。實踐表明，在地震影響下，異性結構較易形成大位移的情況，因此盡可能地避免選用十字形、L 形結構。因此，高層混凝土建筑需要堅持實用和簡單的原則，以圓形、矩形、方形的平面結構設計為宜，這樣能夠尤為明確地傳遞地震力。3）實施豎向結構設計。高層混凝土建筑實施豎向結構設計需要注重均勻性，一般應用三角形、梯形、矩形的豎向結構立面形狀。

2.4 設計多道抗震防線

在地震出現時，一般會形成次生災害問題，例如水患、火災、余震等，在瞬間受到破壞沖擊荷載的影響下，為了確保高層混凝土建筑物的安全，只構建一道安全防御體系難以實現應有的效果，有些情況下會造成整體體系失去效能，為了避免或降低由于個別位置、構件受到破壞而影響整體建筑物的安全性，一般會選擇至少2 個結構的防震體系，從而大大地強化實現建筑物防護效能。針對地震出現時會形成比較大的作用力問題，需要確保建筑結構設計具備相應的變形性能，以此對地震作用力進行消減，并且尤為關注建筑物薄弱之處的抗震性能，不能由于損壞薄弱之處而使整體建筑的抗震性能受影響。事實上，有效統一建筑設計與建筑抗震設計的方式即為了確保結構的整體性，這樣，結構間形成一種整體效應，各個部件間的共同作用可以很好地防范和減小地震破壞性，從而實現滿意的抗震成效[6]。當然，各部件間的穩定連接也可以提升建筑抗變形性能與抗震性能。與此同時，在設計高層建筑時，作為豎向受力構件的剪力墻可以確保構件的冗余度，較為適宜地選用“小集中和大分散”模式。除此之外，還需要主受力構件具備較為理想的剛度與延性，為此，非常有必要創建完善的結構屈服體系，這樣一來，在受到地震損壞首道防線時，還具備保護作用的第二道和第三道防線。

3 結語

綜上所述，高層混凝土建筑抗震結構的發展依舊任重道遠，基于我國不斷提升的綜合國力，科技水平也持續提升，我們對發展高層建筑充滿信心。當前，盡管注重節能與環保是高層建筑設計的主導方向，但是安全仍然是人們高層建筑的首選，因此，對高層建筑的抗震設計勢在必行，相信在不久的將來，會有更好的抗震設計方案，從而為人類的發展做出積極的貢獻。