高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略

王攀銘

（杭州九米建筑設計有限公司，浙江 杭州 310000）

一、高層建筑抗震設計原則

高層建筑的抗震設計應體現科學性和合理性。為提升抗震設計效果，要遵循相應的抗震設計原則。根據規范要求，確定建筑項目的抗震等級，以此作為抗震設計的重要依據。高于地區抗震設防烈度為大震。高層建筑遭遇大震時，能保證建筑結構不坍塌，居住人員有足夠的逃生時間。抗震設計以提高安全性為主；與地區抗震設防烈度相當的地震為中震。高層建筑遭遇中震時，雖然建筑結構受到損壞，但通過加固維修仍可使用，抗震設計以提高適用性為主；低于地區抗震設防烈度的為小震。建筑的抗震設計足以抵抗地震危害，建筑結構不會受到破壞。這是抗震設計的三個重要原則。在高層建筑的結構抗震設計中，需建立分析模型，代入抗震設防烈度的相關參數，對模型進行模擬測算，確保高層建筑的抗震性能滿足設計要求，滿足建筑結構的穩定性要求。

二、高層建筑常見結構類型及抗震設計

目前我國建筑行業發展迅速，為了滿足城市發展的需求，城市建筑工程都朝著高層和超高層方向發展。高層建筑的結構類型有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構。這幾種結構類型的抗震設計有不同的技術要求：

（一）框架結構

框架結構是目前高層建筑最常用的結構類型，工程適用性較好，應用范圍廣，與其他結構類型相比建設成本較低。框架結構的承重主體為梁和柱組成的框架結構，受自身結構特性的影響，框架結構的側向剛度不足，由于地震橫波會使高層建筑的側向結構出現位移，所以高層框架結構建筑的抗震設計重點是合理提升梁柱結構體系的側向剛度，減輕地震橫波造成的側向剪切性破壞影響，提升建筑的抗震效果，保證結構的安全性符合設計要求。

（二）剪力墻結構

剪力墻結構的承重主要依靠剪力墻、異形柱和梁共同組成受力結構體系，這種結構的側向剛度較好，但空間布局的靈活度不足，施工的成本費用略高。剪力墻結構的抗震設計核心問題是提升層間變形的協調性。剪力墻結構具有較強的規律性，側向剛度較好。抗震設計宜采用雙向布置，可較好抵抗各自方向的水平力，沿高度方向豎向布置可有效避免剛度突變。由于疊合錯洞墻的應力分布復雜，在設計中應盡量避免門窗洞口上下錯開，無法避免時，應進行洞口周圍的受力分析計算并采取有效措施提高結構強度。

（三）框架剪力墻結構

框架剪力墻結構綜合框架和剪力墻的結構優勢，梁柱體系和剪力墻結構共同承擔荷載受力，可以有效彌補框架結構側向剛度較差的缺點，提升建筑整體的結構性能。在進行抗震設計時，根據框架部分和剪力墻部分承受的地震傾覆力矩比值確定設計方案，滿足框架剪力墻結構抗震措施要求的同時，還應充分考慮梁柱框架與剪力墻的剛度、變形特點，選擇合適位置設置剪力墻，使結構整體剛度具有均勻、連續的特性，構成雙向抗側力結構體系提高建筑整體抗震性。

三、高層建筑抗震設計中存在的問題

（一）軸壓比和短柱對抗震性能的影響

在高層鋼筋混凝土結構中控制柱的軸壓比主要是防止柱受拉鋼筋未達到屈服強度，但受壓區混凝土先被壓碎，使柱塑性變形能力差，結構延性和耗能能力受到影響。高層建筑中框架柱承擔的豎向荷載較大，為滿足規范要求的軸壓比，一般柱截面尺寸較大，剪跨比一般小于2，為短柱，底部幾層更可能為超短柱。為確保地震作用下結構的安全，應對框架柱采取加強措施，可采用全高箍筋加密，采用螺旋箍筋或者中間設置型鋼等加強措施。

（二）結構高度對抗震性能的影響

結構高度為室外地面至主要屋面構件的高度，結構承受的傾覆彎矩隨結構高度的增加而增加。建筑物高度越高，結構的穩定性就越差，相應的結構剛度就需要更大，剪力墻等承受的水平力構件就需要布置越多，結構經濟性會變得較差。當建筑結構的高度超過相關規范允許值時，應采取比規范更嚴格的抗震措施進行抗震超限專項設計，并通過專家的論證后方可實施。

四、高層建筑結構抗震優化設計策略

（一）優化建筑結構的平面設計

高層建筑的開發商為了提高項目收益，提升建筑平面空間的利用率，減少剪力墻的使用，降低了建筑結構的承重效果，同時也削弱了建筑的抗震性能。為了提高建筑結構的安全性和穩固性，需對建筑平面結構進行科學設計，滿足空間使用要求的同時，使建筑結構達到抗震設計標準。利用先進的技術措施提升結構抗震性能，使建筑工程滿足設計質量要求。

（二）運用高延性結構消震和隔震

高延性結構可以有效提高抗震能力，并且有著良好的吸收地震能量的作用，我國當前在建筑的防震設計及后期施工過程中，為增加建筑結構的延性、整體剛度，對結構節點構造進行了科學合理的設計，以減少地震作用帶來的不利影響。必要時可采用減震、隔震設計，確保建筑結構的安全、經濟、適用。如圖1 所示。

（三）注意薄弱層的結構設計

建筑結構的薄弱層一般出現在建筑結構豎向抗側力構件不連續，樓層的承載力出現突變以及結構側向剛度的突變位置。在地震的作用下，薄弱層是最容易受到影響的，因此在強化薄弱層的結構計算分析的基礎上，要加強薄弱層的抗震承載能力和耗能能力，使薄弱層有足夠的強度和剛度來應對地震作用。

（四）合理選擇和布置

建筑方案結構工程師的作用是配合建筑設計師的工作，通過力學計算分析、概念設計等方式盡可能實現其設計意圖。然而在方案設計時，結構工程師往往參與較少，待建筑方案確定后往往出現結構布置不合理、不滿足抗震設計要求的情況。因此，為確保后期結構抗震方案的可實施性，結構工程師應盡可能早地參與到建筑方案的確定過程中來，并要求建筑方案遵循“平面對稱、立面均勻”的布置原則。

（五）加強建筑結構的整體性

只有保證建筑結構內部整體強度、剛度和耗能能力，在發生地震時各個部件才能夠協調工作。因此，應加強結構四周梁截面尺寸，對于開大洞四周樓板要加大樓板厚度和拉通筋的配筋率，提高樓板的平面內剛度，確保結構滿足計算假設以及結構抗震性能滿足規范要求。

（六）對于其他非結構部件的處理

除了主要受力構件，建筑物還包含填充墻體、外圍裝飾墻板、屋面廣告牌、附屬機電設備等非結構構件。當地震發生時，這些構件也會在不同程度上受到地震作用，對建筑結構的整體抗震性能產生一定影響，因此對其進行合理的處理，能更好地提高建筑物的抗震能力，減少地震造成的次生災害。

結束語

綜上所述，隨著我國社會經濟水平的不斷提高，高層以及各種超高層建筑在城市建設中的應用越來越多。為有效保障人們生命財產安全，必須重視對高層建筑結構的抗震設計，尤其是進行抗震概念設計能有效降低地震對建筑物的損害，提升社會經濟效益。