高層住宅建筑結構的抗震優化設計研究

【摘要】高層住宅項目的內部結構復雜，如果設計有缺漏，會降低結構穩定性，導致抗震能力偏弱。本文以結構抗震設計主要探討內容，大體上分成設計方向與設計要點兩個部分，前者包括傳力方式、延性、抗震措施與剛度;后者從位移和水準烈度入手，以期同行參考。

【關鍵詞】高層住宅;抗震性能;建筑結構

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.25.054

高層抗震性能體現在建筑遭遇地震期間，布置的多道抗震措施以及結構本身，抵抗地震帶來的沖擊力，以降低傷亡與經濟損失。高層中心相對更高，穩定性較差，加之內部人員總數較多，若遭遇地震災害時，結構抗震能力不高，形成的損失是多層建筑數倍。因而，應落實結構抗震的設計效果，保障居住安全。

1、高層住宅建筑結構的抗震優化設計方向

圍繞結構的抗震性能落實設計方案，需基于高層原本結構特征，繼而提升構筑物強度與延性等，優化主體結構應用性能。在確定建筑體系中，應思考以下內容。

1.1地震傳力方式

在設計結構抗震期間，應基于地震的特點，綜合分析水平方向與重力荷載，以求設計出簡單且高效的傳力方式，使荷載可以準確傳至結構的縱向構件，比如墻體與柱體等。首先，對于沒有轉換層的高層項目，部署縱向構件中，最適宜的結構模式為讓縱向構件受到重力荷載，形成的軸壓力作用在自身幾何中心，盡可能控制偏心距。其次，超高層的項目中，以確保抗側力的主體系統保持貫通狀態，確保傳力的通暢性。一般應用到的此類結構包括剪力墻與框架等。如果由于設計需要，造成縱向的某些變化，需確保此波動具備連續性和均勻性的特征，繼而優化實際的受力情況。最后，在確定抗側力的構件中，需確保整體結構不能發生脆性損壞問題。而為量化實際延性，能借助相關的延性系數（μ）確定特征，可使用下述公式進行計算：

μ=△μp /△ μy

其中，△μp 表示頂點的屈服位移量，單位是米;△μy對應頂點彈塑性的位移變化限值。基于實踐總結設計經驗，μ在3～4之間是比較適宜的。

1.2構件必要延性

在抗震的設計任務中，延性是必要的考慮問題。原因在于：地震發生時個別構件會由于受損不能發揮抗震作用，使得構件基數減少，荷載無變化，但依舊能保證可以全部承受，繼而避免總體結構喪失抗震性能，提升高層建筑抗震效果。在地震災害出現時，框架、柱體根部等局部的應力承受情況極為復雜且集中，容易發生損壞。對此，優化設計中，應使各部分受損位置落于梁端，并非柱體的節點位置，能避免柱節點先損壞，造成建筑總體結構坍塌。另外，若高層建筑為框架-剪力墻或單純剪力墻模式下，每個墻段實際高寬比例需超過2 。

1.3多道抗震措施

在優化框架-剪力墻中，應設置多道抗震措施，以提升高層結構的抗震效果。在高層結構中，剪力墻負責抗側力的同時，還應是結構整體抗震體系中的第一個措施。設計師應保障剪力墻布設量的合理性，并準確設置該結構底部的傾覆力矩，根據高層建設標準，此數值至少應滿足工程總傾覆力矩的一半。另外，不可出現間距超過限定值的現象，否則會造成樓板在平面中發生明顯的變形。具體控制數值可根據結構施工方式，加以確定。一方面，現澆項目中，非抗震設計應5B， 間距60m;Ⅵ度以及Ⅶ度要求下，4B與50m間距;Ⅷ度標準中，3B和40m間距;Ⅸ度對應 2B與30m間距。另一方面，裝配式的建筑中，非抗震設計應是3.5B，50m間距;Ⅵ度以及Ⅶ度要求下，3.5B與40m間距;Ⅷ度標準中，2.5B和30m間距。其中B表示結構的高寬比例，上述各組數值均為較小值。

在相鄰剪力墻間形成開洞現象，需適當縮小高寬比例。同時，若剪力墻發生開裂問題，地震產生的作用力會被充分傳遞分配，并在新的位置上發揮作用。高層住宅建筑上的各層需根據結構與墻的協同情況，確定地震剪力，該數值不可低于結構底端總剪力值的20% ，且不能超過各層剪力最高值的1.5倍，或不足兩項控制參數的較小值[1]。

1.4確保結構剛度

結構抗側力性能，從力學角度來看，剛度是其中的重要內容，需保證結構剛度適宜性，并綜合考量水平方向上的移動、穩定性與強度延性等多項數值的標準，準確把控剛度，確保高層結構能安全應用。結構設計環節中，不能盲目提高該數值，處于或略大于標準范圍為宜。

2、高層住宅建筑結構的抗震優化設計要點

在高層項目中，若把抗震防水標準設置過高，會擴大物料及各類資源的投入規模，增加工程造價。但若此數值偏低，總體造價也隨之降低，但會影響結構的抗震能力，若遭遇地震，結構會嚴重受損，甚至發生震中坍塌的情況，造成的后果是難以估計的。在設計環節中，應對此加以兼顧，輸出最合理的結構設計方案。

2.1位移約束

高層項目結構體現出高寬比例偏大的特征，而各層間的位移會被物料及框架體系等多因子的共同作用，在設計結構中，需平衡各項因素。巧妙設計鋼筋砼結構下位移限值，提升結構的平穩度，維護結構的功能性。高層整體高度偏大，相較于多層建筑，其結構的穩定性較低，容易被地震影響。因此，在地震中易發生層間的位移，對此需要在優化設計中，能強化對位移的約束，以免發生嚴重的位移現象。

2.2水準烈度

從國內曾發生過的地震情況來看，水準烈度能分出三個級別。首先，在半世紀內，超越概率在63.2%的烈度是眾值烈度;其次，半世紀內，該指標是10%的烈度;最后，該指標在2%～3%之間的烈度。基于水準烈度的規定標準，建筑項目在面對不同烈度時應當呈現的反應標準為：一級烈度下不能出損傷，依舊可繼續應用，受力情況能保持彈性變形的狀態;二級烈度下，可形成輕微的損傷，通過簡單修繕能繼續應用，沒有發生顯著彈塑性變形，且永久型的變形程度沒有明顯變化;三級烈度下，總體結構為非彈性情況，但依據處于可控狀態，沒有趨近于臨界變形值，不能出現倒塌問題。具體的設計標準為：小震環境下，需低于設計防烈度1.55度，結構不壞;中震可等于設防烈度，結構可壞;大震環境中，可略超過設防烈度1度，建筑結構需保持不倒[2]。

結語：

總而言之，在高層住宅項目持續增多及擴大趨勢下，優化主體結構是必然趨勢。本文著眼于設計本身，從多個維度深入，旨在提升高層抗震效果，維護主體結構的平穩度，控制因地震造成的損壞率，并兼顧建設經濟性，為居民創建安全的生活環境。

參考文獻：

[1]袁見明.高層住宅建筑結構設計的重點事項研究[J].建材與裝飾，2020，（18）：110-111.

[2]原曉輝.高層住宅建筑結構設計需關注的問題分析[J].工程技術研究，2019，（01）：185-186.

作者簡介：

高躍軍（1983-），男，本科，工程師，從事結構設計工作。