探索高層建筑結構設計中的抗震設計

劉智文

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 高層建筑結構設計中抗震概念設計的意義

概念設計的思路是將理論與實際計劃相聯系，最后形成概念的基本原理。根據該基本原理，對整個工程進行總體的抗震規劃。由于樓層越高，結構的抗震設計就越是困難，其結構的受力計算也就變得越不穩定，而且在發生地震時，這種不確定因素就會被激發出來。從本質上來說，由于對地震產生的年代和破壞機制認識不夠透徹，且有些建筑在建造時會受到氣候的影響，在進行地震仿真時會出現偏差，所以在進行地震仿真時，會出現大量不完整的資料，這就給高層建筑帶來了巨大的危險。大多數的概念設計問題都是以計算資料為基礎，再加上一些實際經驗。眾所周知，概念的設計方案在結構上作用要大于對數據的計算。正因如此，在高層建筑中，抗震構造總是備受關注。防震結構概念設計與一般的建筑物不同之處，在于可以避免由計算錯誤而造成更大的風險[1]。

最重要的是，在對高層建筑進行抗震結構設計時，標準和要求是非常高的，設計師們一定要在結構上嚴格要求進行設計，并且要因地制宜對抗震設計進行多種多樣的更新，從而更加安全和可靠。

2 抗震概念性結構設計方案的原則

建筑物的地震反應有很多方面的需求，例如：建材的組合，材質的特性，以及部件的組合與延伸。對于房屋的脆弱部位，也要采用強度較高的材質和較強的抗震構造（圖1）。另外，也要考慮到不同的防震建筑，要用合適的材料來加固。正如在框架與管式組合的結構中，必須要有足夠的耐震能力，而且需要更好地調節其剪力墻與框架。這種方法可以讓框架-筒體更牢固，在地震時能夠抵抗震動，把剛體與撓性的結構緊密的融合起來，從而達到適度緩沖地震的能力。這也是為什么建筑能夠承受更高等級的震動的原因，不同的防震結構，可以將它們完美的結合在一起，起到相輔相成的效果[2]。

圖1 抗震構造柱

2.1 整體性

在進行設計的過程中，要從建筑的整體來進行設計，就像低層建筑和高層建筑都需要考慮的，把每個結構緊密聯系在一起，從而在地震時可以將地震能量分擔到每一個結構中，降低各種結構單體的受力，在這個過程中，還要保證建筑的每一個材料和結構都有足夠的強度和韌性，這樣才能有更好的抗震效果。

2.2 抗震結構

在設計抗震結構時不僅需要考慮建筑整體的構狀，還需要考慮各種抗震結構的清晰明了。在考慮整體之后，還必須依靠結構清晰的原則，這樣才能在這個龐大的設計體系里面維持各種構件的功能性，對結構之間的功能有一個良好的連接，和遇到問題時能夠迅速弄清問題出在哪里，保證了建筑抗震的便攜性和有效性[3]。

2.3 使建筑具備剛性和穩定性

在建設施工中還需要考慮建筑結構的穩定性，也就是對構件剛性和柔性之間轉化和轉移的考慮。在考慮這個問題時，第一就是要思考構成整體建筑的構件之間是否能有效減緩地震的能量并且本身的結構不發生破壞和改變。這是一棟高層建筑最基本的設計思路和必要功能。

2.4 建筑結構規則性和均勻性

不僅有上面的考慮，還需要對一棟建筑的防側移功能進行測試和設計。一個建筑中不僅有垂直防塌陷要求，另一個不可忽視的是建筑的防側移要求。因為高層建筑的基礎和低層建筑相比不可避免的基礎結構相對有所薄弱，所以保證建筑直立要求后，也要滿足建筑的防側移要求，使得在設計時考慮更多的規則性和均勻性，這是在設計高層建筑時不可忽視的一點[4]。

3 高層建筑結構抗震設計的主要特點

3.1 建筑結構的平面布置

在高層建筑抗震措施中，建筑結構的平面設計常常是一個關鍵環節。所以，在建筑的布局中，必須進行創造性的、合理的規劃。規則結構能夠精確地預測結構的地震響應和結構的影響，從而使其具有更好的抗震能力。而非對稱結構的平面布局較為復雜，其地震作用難以評價。因此，為了確保整體的抗震能力，應采取結構規律性的平面布局。

3.2 建筑結構的體系選擇

在高層結構的結構設計中，結構-剪力墻、剪力墻、圓筒結構是結構抗震的首選結構形式。當高層建筑的層數較少時，其最合適的構造形式為框架式；在同一幢樓高相同的情況下，框架結構、半柱剪力墻結構是最合適的。但是，許多地震具有較高的強度、較大的破壞性、較長的時間和較頻繁的往復次數，將對高層建筑的損害和人身安全構成威脅。這三類建筑物在地震中的重大損傷，將對其所承受的震害能力產生難以估計的損害。一旦第一道防線被攻破，就會對后面的防御造成很大的影響。建筑的最小化不但可以避免大樓的坍塌，而且也會使整體的抗震設計發生變化。所以，在整個抗震設計過程中，高層建筑物的抗震設計是必不可少的。

3.3 結構薄弱層

許多情況下，高層建筑的樓層會不會發生突變，直接影響到建筑物的軟弱層抗震能力。當豎向抗側力構件不再是連續的情況下，由于橫向剛度分布的不均勻，樓層的承載力較弱，使受壓部位逐漸增多。所以，要準確地判斷出薄弱層的變形程度，就必須有針對性的、有意識的判斷和分析。

4 抗震結構概念的應用

4.1 項目概括

某建筑工程的高層建筑結構層數為10層，工程建筑的高度是30m，按照規定的使用年限50年進行建造，工程建筑所在地區的風力壓力平均為800N/m2，并且這個地區的地震防護等級為6級，建筑抗震性設計為C等級。

4.2 中震下防震性能測定

在進行防震性能的測定中，不可避免的需要計算機進行數據的測定并且定下在中震狀況下的防震標準，從而對建筑的穩定性進行測定。在進行測定建筑穩定性的影響因數中，利用SATWE軟件來測定并分析其影響因數最大值。中震情況下，這個軟件測定方法和小震的方法差不多，但是將影響因數最大值改為小震的2.8倍，并且按照理想情況下取消內力之間的調整系數，就是將受到強力的框架柱和受到弱力的框架梁以及受到強力的框架梁和受到弱力的框架柱這兩種極端情況取消，直接將框架之間的系數調整為4級。在其他的系數不變的前提下進行中震下的防震測定。

4.3 中震下結構構件性能測定

首先要考慮框架柱的結構測定，因為這個結構會在地震中受到剪切力和框架之間的減緩能量現象，若是在地震中框架柱結構還是處于彈性狀態，那么此性能合格。之后是框架梁結構，在中震的狀況下框架梁處于彈性狀態，并且僅有一少部分達到最大彈性范圍，因此可以見到在中震狀況下，框架梁滿足設計的要求。

4.4 合理選擇建筑的材料以及結構

為了確保建筑的材料良好，且結構具備合理性，在確定建筑選材時，應該首先考慮到建筑的防震性能，使其能夠維持建筑的整體穩定性。在進行選材時，考慮到不同地區的實際需求，選擇具有更高承載能力以及抗彎能力的材料類型（圖2），在建筑的縱向支撐結構中，通過運用更高承載能力的支撐材料，可以確保建筑物具有更好的抗震效果，在進行結構設計時，可以應用三角結構來替代傳統的框架結構，從而提升綜合抗震效果。

圖2 抗震減震材料

5 提高建筑物抗震能力的有效措施

5.1 選擇有利場地

地震災害是由多種因素引起的，而地震發生的地點是一個重要因素。在不同的工程地質情況下，不同的地點，不同的震害對房屋的損害有很大的差異。所以，在施工場地選址時，要根據施工現場的具體要求，盡量選取對建筑物的防震性能更有利的區域，如果無法避免，就采取相應的防震加固措施，避免在地震災害發生的區域內建設會造成人身傷害和財產損害的建筑物。

5.2 優化平立面布置

建筑物的平面外形要有規律，立面外形要簡潔。建筑物的動態特性主要是由其建筑的規劃與構造安排決定的。在建筑物設計中，只要設計得簡潔、合理，按照地震規律進行結構的排列，就可以基本地確保建筑的抗震能力。在結構上，每個單獨的單位和整體的結構都要做到質量剛性的對稱，使得它們的中心和中心的偏差非常少，或者是全部一致。另外，在垂直方向上，結構的剛性和重量也要一致，只有簡單、規則、對稱結構才能精確地進行抗震分析。

5.3 建筑結構抗震體系的合理選擇

在建筑物的結構設計中，如何正確地選取結構的地震系統，是進行地震反應時必須認真研究的問題。另外，房屋的抗震設計方案的選取也是影響其安全、經濟的關鍵問題[5]。

（1）為了防止建筑物的結構和部件的損壞使整個房屋的抗震性能下降，從而產生整體的損壞。在建筑物的設計中，一個關鍵的設計準則就是：在建筑物的受力、變形和協調性以及沒有顯著弱點的情況下，能夠很好地在地震時起到很好的作用。就算有些部件已經脫離了工作狀態，剩余的部件仍能經受住負荷，避免結構失去平衡和破壞。

（2）在建筑物的結構系統里面，必須有清晰的、正確的傳震路線。清晰的傳遞路線，確保各部件在結構的抗震加固中能夠高效地銜接與承重。在此基礎上，要盡量保證構件在垂直方向上的受力，盡量減小垂直不連續性的發生。

（3）建筑物的構造系統必須具有足夠的剛性和強度，并且具有良好的剛性布局和均勻的布局。在結構抗震設計時，考慮到結構在地震作用下的局部破壞和變形，從而使結構受到較大的破壞。所以，在建筑物的結構設計中，應對其進行加固，并采用適當的加固方法，以達到合理的強度與剛性，從而達到整體的剛度均衡，增強建筑物的整體地震性能。

5.4 對結構荷載進行恰當的處理

在進行結構設計時，應嚴格按照強弱協同的設計原理，適當地提高墻、柱等節點的強度，同時減少梁及彎、拉力中心等構件的受力。在此基礎上，考慮到構件的受力性，應盡量減小構件的受力，以防止構件過早地斷裂。同時，在特定的規范中，設計者應在適當的限度之內，對每個構件的載荷進行適當的調節。

5.5 對結構的自重進行弱化

當基礎條件不變時，設計者應考慮房屋的抗震性能。只要將結構重量減小，就可以適當的提高樓層數量，從而達到更好的造價控制，而在軟粘土基礎上，效果會更為顯著。此外，房屋的結構也會對地震的效果產生直接的影響，當建筑物的數量太多時，其震害就會更大。通過采用輕型材料降低結構自身的重量，使其達到最佳的設計效果。在進行結構的設計時，應對結構重量與層數的比例進行適當的調整，以確保結構的經濟性能和結構的安全性能。

6 結語

綜上所述，由于我國城市人口不斷增長，城市化建設不斷加快，高層建筑成為當下時代發展的主流建筑趨勢。對于城市高層建筑結構設計而言，必須要對其抗震概念設計進行有效融入，只有這樣，高層建筑物在遭受到突發地震災害時，才能夠有效保障人們的生命財產安全。