高層建筑結構分析與抗震設計探究

張慶博

沈陽都市建筑設計有限公司 遼寧 沈陽 110000

引言

建筑行業快速發展，為適應多樣化的建筑功能需求，高層建筑的結構形式也日趨復雜多樣。除傳統的框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構、筒體結構等基本形式外，超高層建筑、復雜高層建筑、鋼結構高層建筑、型鋼-混凝土混合結構高層建筑得到越來越廣泛的應用。建筑高度的增加和布置的不規則性給結構分析和設計帶來更多復雜性和挑戰性，有必要進行更系統深入的研究。

1 抗震結構設計中的常見問題

1.1 結構參數設計不合理

進行抗震結構設計的主要目的在于，在地震災害出現時，能夠降低災害帶來的經濟損失。從目前的應用情況來看，結構參數設計并不滿足抗震要求，并且結構應力分布不均勻，降低了結構的耗能能力。另外，還應對結構的薄弱層或薄弱構件進行加強，并對一些復雜結構進行抗連續倒塌設計。

1.2 抗震設防分類的判別

我國建筑抗震設防分類別為特殊設防類、重點設防類、標準設防類、適度設防類四個，而實際項目中的大部分建筑都屬于標準設防類，規范中的定義也是大量的除其他三類以外的建筑，這類建筑我們不在過多關注。而特殊設防類、適度設防類我們在工程設計時又極少接觸到，所以在此主要分析工程設計時經常遇到的一些重點設防類建筑。第一，教育建筑中的幼兒園、小學、中學的教學樓、宿舍、食堂，醫療建筑中的二、三級醫院均為重點設防類。關于學校建筑、醫療建筑，有些地區又有地方的特殊規定，我們在進行抗震設計時尤其要注意。第二，商業建筑中人流密集的大型的多層商場抗震設防類別應劃為重點設防類。如何判別是人流密集，條文解釋為指一個區段人流5000人，換算的建筑面積約17000m2或營業面積7000m2以上的商業建筑。一個區段，指的是同一建筑功能的相關范圍，與建筑功能分區及不同區段出口有關，而與結構是否分縫無直接的關系[1]。

2 加強建筑結構設計中的抗震設計

2.1 依據抗震標準，規范平面及豎向設計

平面規則與建筑物的穩定性也存在一定的聯系，這是設計人員在設計過程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標準的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長度不宜過長，不宜采用角部重疊或細腰形的平面布置。因此，結構平面布置應力求簡單、規則、對稱，避免剛度、質量和承載力分布不均勻。對于有較多凹凸口的復雜形狀平面要進行特殊設計或采用一定的補救措施，以最大限度地保證建筑的穩定性。對于抗震高層建筑的結構豎向布置，應避免過大的外挑和收進，宜規則、均勻，結構的側向剛度也應該做到上小下大均勻變化，豎向抗側力構件宜上下連續貫通。

2.2 傳統抗震設計

傳統抗震設計注重提高建筑的抗震承載力。目前我國抗震設計一般通過“二階段”設計方法實現“三水準”設防目標?！叭疁省奔础靶≌鸩粔?、中震可修、大震不倒”，“二階段”即小震作用下彈性計算和大震作用下彈塑性驗算。通過地震作用計算可實現小震和大震水準下的設防要求，中震設防要求通過抗震機構控制和抗震構造措施實現。在進行高層建筑抗震設計時，除根據建筑結構特點，應用底部剪力法、振型分解反應譜法及必要的補充時程分析地震作用計算外，還應注意強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件等內力調整措施和抗震構造措施的實現，確保建筑在較大地震力作用下能夠按照設計意圖實現抗震耗能和關鍵構件的安全[2]。

2.3 合理確定抗震水準框架

設計人員應當首先確定框架的使用需要，通常來說國外水工建筑物的抗震水準框架是根據美國標準中的地震動參數概念，最大設計地震（MDE）和基準地震（OBE）的兩個參數，以及水工建筑物的地震要求來進行設計。大量國內外水工建筑結構的抗震設計實踐表明，重復周期為100-200a的OBE通常在設計中無法發揮良好控制作用。因此，設計人員在合理確定抗震水準框架時，應當明確防震性能定位，以使水工建筑能夠在遭遇到局部地震破壞后可以進行修復。而對于需要抗震保護的大型水工建筑物，設計人員必須進行特殊的地震安全框架設計，這一設計需保證水工建筑物在遭受極端地震破壞時，能夠保證該水工建筑物避免遭受毀滅性破壞，從而保證人類財產與生命的安全，降低二次災害出現的可能性，這就需要設計人員進行大量模擬實驗，以確保該抗震標準的絕對安全性。

2.4 針對剪力墻的加強措施

為增強剪力墻的受力性能，改善剪力墻的延性，采取如下措施：①嚴格控制加強區墻體在重力荷載代表值下的軸壓比在0.6以下，對樓板洞口周邊的剪力墻適當加厚。②在較長墻肢中設置結構洞口，以減小單片墻肢的長度和剛度。③底部加強區域內，提高角部墻體的約束邊緣構件配筋率，提高加強區墻體的承載力和延性。④嚴格控制剪力墻截面的剪應力水平，適當提高底部加強區剪力墻水平鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載力。⑤底部樓板洞口周邊剪力墻加強平面外墻肢約束，以提高其墻體穩定能力。⑥在不影響建筑功能的情況下，剪力墻設置邊框柱，并安規范要求設置暗梁[3]。

3 結束語

基于地震屬于不可抗力的自然災害，同時具備了很強的不可預估性，一旦有地震災害產生，將會對建筑以及民眾的個人安全、財產安全產生極大的影響。因此，為了可以有效降低地震的影響程度，結構工程師在建筑抗震設計時，要注意多學習多思考多總結，從結構概念到結構構件布置都有清晰的理解，如此才可以將建筑的抗震設計落實到實際工程項目中，并以此來確保設計質量得到提升，增強建設物的抗震能力，防止因為地震而造成的嚴重后果。