高層建筑抗震設(shè)計(jì)探究

郝存毅　易洪宇

摘 要 目前，我國(guó)高層建筑已經(jīng)成為比較常見(jiàn)的建筑形式。地震對(duì)建筑的破壞性較大，人們對(duì)建筑物抗震的關(guān)注度也隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸提高。高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)注意抗震的相關(guān)問(wèn)題，采取一定的措施來(lái)減少損失和保障安全。本文對(duì)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)要闡明了高層建筑抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵影響因素和原則要求，說(shuō)明現(xiàn)存問(wèn)題并提出抗震設(shè)計(jì)措施，希望能對(duì)提高高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量有所幫助，為人們提供更好的環(huán)境，從而促進(jìn)建筑工程行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 高層建筑 地震 抗震設(shè)計(jì) 抗震效果

中圖分類號(hào)：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）03-0007-03

地震作為一種自然災(zāi)害，難以預(yù)料，其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)破環(huán)較大，易造成損失和安全問(wèn)題，因此在建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮抗震設(shè)計(jì)[1]。隨著人口的不斷增長(zhǎng)，人們的需求增加的同時(shí)，高層建筑的數(shù)量也在增加。在這種情況下，我們應(yīng)更加重視高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是地震多發(fā)的區(qū)域。與此同時(shí)，關(guān)于高層建筑的抗震措施和技術(shù)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，以此來(lái)提供更好的辦公和居住環(huán)境。

1 抗震設(shè)計(jì)的重要性

我國(guó)地域廣闊，包含了不少地震帶，地震發(fā)生次數(shù)較多，世界各大陸地震中大約1/4的大地震發(fā)生在我國(guó)，對(duì)人們?cè)斐傻膫Σ谎远鳌Ｒ虼耍覀兤惹行枰龊妙A(yù)防地震的措施，使建筑物的穩(wěn)定性和抗震能力得到提高，從而減少對(duì)人們的傷害和損失。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，高層建筑已經(jīng)較為普遍。高層建筑雖然在一定程度上代表了繁榮，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生許多的問(wèn)題，國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)格監(jiān)管高層及超高層建筑了。例如，2021年就出臺(tái)了相關(guān)規(guī)定，控制新建的超高層建筑。根據(jù)我國(guó)的發(fā)展情況，高層建筑還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，需要逐漸提升相關(guān)技術(shù)，而這里面的抗震設(shè)計(jì)就顯得格外重要。目前我國(guó)的抗震方面的技術(shù)在國(guó)際上并不領(lǐng)先，亟需國(guó)家完善有關(guān)制度和政策，明確高層建筑抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，使大家對(duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)的重要性認(rèn)識(shí)得到提高。

2 抗震效果的關(guān)鍵影響因素

2.1 工程所需資料的準(zhǔn)備

在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)前，首先需要準(zhǔn)備相應(yīng)的工程資料，這些資料包括建筑設(shè)計(jì)的參數(shù)、建筑場(chǎng)地的地質(zhì)條件等。這些資料的收集和處理對(duì)建筑設(shè)計(jì)有著重要的影響，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)這些資料進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，來(lái)完成對(duì)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)[3]。例如，通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件的勘測(cè)，提前預(yù)防躲避，避免山體滑坡、地基塌陷等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)建筑物的破壞。

2.2 高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)

建筑物的抗震設(shè)計(jì)對(duì)建筑物抗震效果的影響是顯而易見(jiàn)的，所以需要重視建筑物設(shè)計(jì)方面的科學(xué)性、合理性。而抗震設(shè)計(jì)主要取決于設(shè)計(jì)的人員，因此設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、理論知識(shí)的應(yīng)用等方面的因素都會(huì)影響到最終的抗震設(shè)計(jì)。

在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)建筑物的實(shí)際情況具體分析，尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要對(duì)抗震性能進(jìn)行不斷的優(yōu)化。例如，在進(jìn)行不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要調(diào)整偏心距、扭轉(zhuǎn)力之間的關(guān)系，調(diào)整扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。通過(guò)各方面的調(diào)整后，提高建筑物的抗側(cè)力水平[4]。在設(shè)計(jì)人員方面，也應(yīng)多人考慮，層層把關(guān)，將多人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)相結(jié)合，相互彌補(bǔ)，最終得到較為適合的設(shè)計(jì)方案。

2.3 實(shí)際施工過(guò)程

實(shí)際施工的質(zhì)量是抗震性能的重要保障。應(yīng)當(dāng)對(duì)建筑材料進(jìn)行合理地選擇，不同材料的性能、承載力等方面都會(huì)不同，選用不同的材料，會(huì)對(duì)建筑物的抗震性能產(chǎn)生較大的影響。這就需要全面分析高層建筑結(jié)構(gòu)、剛度等，再對(duì)建筑材料進(jìn)行選擇，避免因?yàn)椴牧线x取的不恰當(dāng)，而影響抗震設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。例如，可以選擇輕質(zhì)材料減輕自重或者新的隔震、抗震材料來(lái)使抗震效果增強(qiáng)。除了建筑材料的嚴(yán)格選取外，在施工時(shí)的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要密切監(jiān)督，把握好實(shí)際施工的質(zhì)量，在任何環(huán)節(jié)都不可放松警惕。只有這樣，才可以與其他的方面相配合，使高層建筑物達(dá)到理想的抗震效果。

3 抗震設(shè)計(jì)的要求和原則

3.1 確定合適的結(jié)構(gòu)體系并滿足整體性要求

高層建筑物是由各個(gè)部分組成的一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，并且具有一定的整體性，這關(guān)系到建筑物抗震能力的強(qiáng)弱。確定結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合不同地區(qū)的具體情況，滿足當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度的要求。與此同時(shí)，要結(jié)合建筑物設(shè)計(jì)的建筑高度、建筑選地等其他各種因素來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的確定，保持結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度等因素的協(xié)調(diào)。高層建筑結(jié)構(gòu)的整體性提高，其抗震能力也會(huì)提高，例如強(qiáng)柱弱梁、預(yù)制混凝土樓板的連接等措施，其實(shí)都是為了提高結(jié)構(gòu)的整體性。構(gòu)件之間的可靠連接可以使構(gòu)件的承載能力得到充分的發(fā)揮，同時(shí)，也可以更好地滿足在地震時(shí)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度的要求[5]。不僅是結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)于內(nèi)隔墻、女兒墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施，可以將非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料進(jìn)行替換，使其在連接處可以有一定的形變空間。如果想提升整體剛度，也可以改變材料性能，讓非結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定的承載力，例如將填充墻改為抗震墻。

3.2 選擇合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以滿足結(jié)構(gòu)剛度要求

各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件要滿足剛度要求不發(fā)生破壞，才可以使整體結(jié)構(gòu)不被破壞。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)尺寸、材料等因素來(lái)確定整體結(jié)構(gòu)要滿足的剛度要求，并且通過(guò)各種技術(shù)與建筑材料來(lái)控制結(jié)構(gòu)變形和保障結(jié)構(gòu)剛度，而這就需要結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足一定的質(zhì)量要求，其應(yīng)當(dāng)具有良好的延性，這樣也可以提升建筑抗震設(shè)計(jì)的實(shí)際水平。

由此可見(jiàn)，整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)將剛度和柔度協(xié)調(diào)好。結(jié)構(gòu)太剛會(huì)讓結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬性碰撞，容易使局部破壞。而結(jié)構(gòu)太柔，延性變形過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移過(guò)大等致命問(wèn)題[6]。所以這就需要設(shè)計(jì)者運(yùn)用專業(yè)知識(shí)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)和選擇。

3.3 選擇合適的場(chǎng)地并且多道設(shè)防

選擇良好的地基和基礎(chǔ)是首先要考慮的問(wèn)題，對(duì)于高層建筑更為重要。在選擇場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)當(dāng)讓專業(yè)人員事先進(jìn)行勘測(cè)和評(píng)估，避開(kāi)不利的地質(zhì)條件區(qū)域，選取抗震性能較好的場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)。例如，避免軟土較多的區(qū)域、地質(zhì)存在裂縫區(qū)域和可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域等等。在對(duì)基礎(chǔ)和地基進(jìn)行施工時(shí)，也要嚴(yán)格要求，這是高層建筑物關(guān)于抗震性能關(guān)鍵的第一步。

在設(shè)置防震措施時(shí)應(yīng)設(shè)立多道地震防線，如果只有一道防線，那么抗震效果會(huì)比較差。地震在縱波和橫波之后，還會(huì)有不同程度的余震等震動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致即將倒塌破壞的構(gòu)件被進(jìn)一步破壞，如果設(shè)置多道防線的話，相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)保護(hù)的體系，多層保護(hù)可以避免部分構(gòu)件被繼續(xù)破壞的情況，從而減少損失和傷害。

3.4 注意高層建筑形狀和結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

高層建筑物的立面和平面形式會(huì)影響建筑物的抗震性能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量滿足規(guī)則性，將平面設(shè)計(jì)成對(duì)稱面，這樣有利于對(duì)建筑的破環(huán)程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑物在美觀方面的要求也逐漸提高，出現(xiàn)了不少的不規(guī)則設(shè)計(jì)。但是仍然要注意，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，需要符合建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在追求建筑個(gè)性化美觀的同時(shí)，也要注意抗震性能的要求，需認(rèn)真及時(shí)地分析調(diào)整設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問(wèn)題。如果這些局部的不規(guī)則問(wèn)題不能被很好地處理，那么就會(huì)嚴(yán)重影響建筑物的抗震性能，所以分析抗震實(shí)施的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)不規(guī)范的問(wèn)題進(jìn)行處理具有重要的意義[7]。

4 高層建筑設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

隨著城市化的發(fā)展，高層建筑也隨之興起。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，工程師和設(shè)計(jì)者往往沒(méi)有有效地結(jié)合實(shí)際的各種特點(diǎn)來(lái)落實(shí)建筑結(jié)構(gòu)的抗震建設(shè)。現(xiàn)階段我國(guó)高層建筑的建設(shè)問(wèn)題仍然存在，這使高層建筑的整體質(zhì)量和耐久性受到嚴(yán)重威脅，不利于發(fā)揮高層建筑的抗震性能。

4.1 高層建筑選址問(wèn)題

城市人口不斷增加，對(duì)建筑的需求也在增加，而城市的土地資源有限，開(kāi)發(fā)商為了謀取利益，會(huì)盡量開(kāi)發(fā)土地資源，從而降低了開(kāi)發(fā)地址選擇的標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，地質(zhì)條件就會(huì)有更多的不確定性，會(huì)對(duì)建筑物的抗震性能產(chǎn)生一定的影響[8]。而高層建筑對(duì)地基的要求更加嚴(yán)格，要保證土質(zhì)密實(shí)，考慮多方面因素，如果選擇不完全合適的場(chǎng)地作為地基，會(huì)造成更大的安全隱患。

4.2 高層建筑材料問(wèn)題

建筑材料的質(zhì)量直接關(guān)系到建筑物整體的質(zhì)量，因此在建筑材料的選取上應(yīng)嚴(yán)格分析與把控。而少部分商家為了獲得更多的利益，在建筑材料的選擇上并沒(méi)有嚴(yán)格把關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致建筑物的抗震性能降低，對(duì)高層建筑的影響更為巨大。在真正遭遇地震時(shí)，會(huì)致使建筑結(jié)構(gòu)被破壞，造成損失和傷害，具有很大的安全隱患。所以在選取材料時(shí)必須保證質(zhì)量，這樣才能使抗震能力符合要求。

4.3 高層建筑的高度問(wèn)題

隨著人口的不斷增長(zhǎng)，土地資源變得越來(lái)越緊張。少數(shù)承包商為了獲得更多利益，將實(shí)際建筑高度設(shè)置為高于設(shè)計(jì)安全高度，完全無(wú)視建筑安全。當(dāng)實(shí)際高度超過(guò)安全高度時(shí)，建筑物的抗震性能就會(huì)顯著降低，在發(fā)生地震時(shí)，對(duì)人類生命造成嚴(yán)重威脅的可能性會(huì)增加。而國(guó)家在這方面的監(jiān)管力度也在不斷加大，在2020年和2021年都出臺(tái)了相關(guān)政策對(duì)高層建筑的建設(shè)進(jìn)行限制。在國(guó)家的嚴(yán)格監(jiān)督下，相信以后這方面的問(wèn)題也會(huì)逐漸減少。

5 提高高層建筑抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量的措施

5.1 利用現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)

設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。以前的設(shè)計(jì)都是依靠設(shè)計(jì)人員的人力進(jìn)行計(jì)算分析，而現(xiàn)在技術(shù)有了很大的進(jìn)步，可以利用BIM技術(shù)、有限元等軟件對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的計(jì)算分析和可視化模擬，有利于問(wèn)題的解決，最終使抗震設(shè)計(jì)更加合理[9]。并且，還可以建立完整的信息化技術(shù)體系，利用BIM技術(shù)整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，使工程涉及的各個(gè)團(tuán)體都能對(duì)建筑信息得到正確理解，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本等方面發(fā)揮了重要作用。

5.2 保證結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確

在高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)實(shí)際建筑的位置、地質(zhì)環(huán)境等進(jìn)行全面的勘測(cè)，以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)就會(huì)更加精確，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)更加合理，與實(shí)際情況相符。并且在設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用計(jì)算機(jī)軟件和現(xiàn)代的技術(shù)建立模型，并進(jìn)行計(jì)算，保障結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確和合理，從而提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抗震能力。

5.3 選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系有很多，包括框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)和鋼砼混合結(jié)構(gòu)等。高層建筑結(jié)構(gòu)各體系的適用范圍不同，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)高層建筑的實(shí)際情況，采用合理的結(jié)構(gòu)體系。這不僅需要考慮結(jié)構(gòu)的豎向受力和抗側(cè)力構(gòu)件的布置，同時(shí)也要設(shè)立多道地震防線，并且不斷地調(diào)整不規(guī)則設(shè)計(jì)，進(jìn)行立面與平面的協(xié)調(diào)，使其達(dá)到所需的抗震效果。

5.4 采用高延性結(jié)構(gòu)和減隔震技術(shù)

高延性設(shè)計(jì)可吸收更多地震能量，承受更大的變形，并減少地震造成的破壞。當(dāng)建筑物設(shè)計(jì)為塑性結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)的變形會(huì)增加，但地震力不會(huì)迅速增加，內(nèi)力也就不會(huì)增加，因此塑性結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)構(gòu)的承載能力要求。同時(shí)，還可以利用減震和隔震技術(shù)來(lái)提高建筑物的抗震性能。可安裝隔震支架，增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振周期，從而減少輸入地震效應(yīng)，起到預(yù)防作用[10];阻尼器等裝置也可用于吸收提供給結(jié)構(gòu)的能量，降低主體結(jié)構(gòu)的地震作用，這也將提高建筑物的抗震能力。

6 結(jié)語(yǔ)

地震是無(wú)法預(yù)料的自然災(zāi)害，需要及時(shí)采取措施來(lái)預(yù)防。高層建筑的抗震設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到人們的安全問(wèn)題，并且我國(guó)的高層建筑數(shù)量也在增長(zhǎng)，因此必須高度重視這個(gè)問(wèn)題。雖然我國(guó)在工程技術(shù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但也需要不斷地探索和提高。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)要注意到抗震效果的影響因素，滿足抗震設(shè)計(jì)的原則和要求，并采取相應(yīng)措施保證高層建筑的抗震能力，減少安全隱患，為人們的生活和工作提供更加有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱興永.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探究[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2021（09）：74-75.

[2] 秦成林.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震性能化設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（14）：15-17.

[3] 莊緒永.高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素探究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（13）：31-33.

[4] 俞兆泰.高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].四川建材，2021，47（07）：65-66.

[5] 崔建坤.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的不足及對(duì)策分析[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2021（06）：72-73.

[6] 朱昀.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則問(wèn)題與抗震措施分析[J].住宅與房地產(chǎn)，2020（05）：70.

[7] 張曉剛.高層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)淺析[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2019（14）：19-20.

[8] 胡文翔宇.高層建筑抗震綜述[J].居舍，2018（16）：2.

[9] 黨大智.關(guān)于高層建筑抗震設(shè)計(jì)的探討[J].住宅與房地產(chǎn)，2018（13）：84.

[10] 孫靜.超高層建筑結(jié)構(gòu)方案選型及抗震性能分析與優(yōu)化初探[J].住宅與房地產(chǎn)，2018（15）：123.