高層建筑混凝土結構抗震設計淺析

陳倩

（海安市建設工程施工圖審查室， 江蘇 海安 226600）

目前， 高層建筑是建筑工程的主要形式， 其有效緩解了我國土地資源緊缺的難題。 高層建筑的高度較高， 對抗震性能和穩定性的要求較為嚴格。 因此，在設計高層建筑混凝土結構時， 要全面分析其抗震性能， 選用抗震性能好的結構體系， 保證結構整體抗震性能， 切實維護廣大人民群眾的生命、 財產安全。因此， 研究和探討高層建筑混凝土結構抗震設計方法具有非常重要的現實意義。

1 高層建筑混凝土結構設計特點

高層建筑是指10 層及10 層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑。 高層建筑混凝土結構可采用框架、 剪力墻、 框架-剪力墻、 板柱-剪力墻和筒體結構等結構體系。高層建筑應注重概念設計， 重視結構的選型和平、 立面布置的規則性， 合理選擇結構體系。 高層建筑混凝土結構是豎向的懸臂結構， 其軸向力和彎矩是由豎向荷載和水平荷載造成的， 但水平荷載卻起著決定性作用。 因為建筑自重和樓面活荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值， 僅與建筑高度的一次方成正比； 而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、 以及由此在豎向構件中所引起的軸力， 與建筑高度的兩次方成正比。 另外， 在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求結構具有足夠的抗側剛度， 結構在水平荷載下產生的側移限制在結構允許范圍內。 在抗震設計時，應保證結構的整體抗震性能， 做到小震不壞、 中震可修、 大震不倒。

2 高層建筑混凝土結構抗震設計的主要原則

一是建筑結構合理性原則。 在設計高層建筑混凝土結構時， 應根據建筑物的真實情況， 合理選擇結構體系。 通常而言， 在確定整體結構后， 要運用系統化方法分析結構情況， 使整體結構具有必要的承載能力、 剛度、 延性。 對結構組成構件來說， 需依照“強柱弱梁、 強剪弱彎、 強節點弱桿件及強柱根” 的原則來設計， 且承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。 在發生地震時， 一些薄弱部位極易出現坍塌， 應采取措施提高其抗震能力。

二是不同建筑環節抗震防線原則。 就抗震防線來說， 在高層混凝土建筑中， 要根據工程環節的不同開展不同的資源配置和工程設計。 可采取分級的方式設計高層建筑混凝土結構， 設置多道抗震防線， 就算地震真的發生了， 也可有效避免發生連帶問題。

強烈地震后往往伴隨余震， 假如僅設置了單一的一道防線， 建筑極易因損傷積累而倒塌。 也可將構件間強弱關系作為彈性變化有效關系， 當主體構件受到巨大沖擊后， 突破了第一道防線， 因第一道防線和后面防線間具有一段受力距離， 所以第一道防線不會直接影響第二道防線， 從而可確保建筑物安全。

三是針對薄弱部位抗震設計原則。 針對部分距離較大、 具有強弱關系的位置， 應運用科學合理的方式進行不同抗震設計。 在設計前要開展受力實驗， 根據各構件承載能力的不同， 在充分考慮的基礎上準確判斷局部構件能否滿足荷載承重能力的要求。

在反復確定局部構件穩定性的同時， 不可因增強了局部構件的穩定性而忽視整體構件的穩定性。 簡言之， 局部構件的剛性程度、 受力效果、 承載力的協調狀況應結合不同的構建形式適度進行不同的調整。 此外， 現場施工人員應確保局部構件受力均勻， 不得因個別部位具有較強承載力， 便降低該部位的強度， 這樣一來則會加大其他部位的荷載， 在發生地震時， 整體結構穩定性會受到一定影響。

3 影響高層建筑混凝土結構抗震設計的因素

一是設計人員的因素。 在高層建筑混凝土結構設計過程中， 設計人員處于主體位置， 其運用的設計理念、 設計方法、 抗震設計經驗等會對高層建筑混凝土結構抗震效果造成很大程度的影響。

二是設計技術的因素。 在高層建筑混凝土結構抗震設計中， 傳統設計技術主要依靠人力， 現代設計技術主要運用BIM先進信息技術， 可大大提升抗震效果。 而在實際進行高層建筑混凝土結構抗震設計時， 要開展必要計算， 在實際計算分析的基礎上，才可保證有更加合理的設計方案。

三是工程資料的因素。 準備工程資料是開展整個項目設計工作的前提， 在進行高層建筑混凝土結構抗震設計中， 需結合設計需求參數、 項目主體結構設計要求、 項目施工區域發生地震情況、 項目材料使用參數等相關資料數據實施設計， 只有在全面采集相關資料的基礎上， 才可完成高層建筑混凝土結構抗震設計工作。

4 優化高層建筑混凝土結構抗震設計的方法

4.1 合理選擇建筑位置和結構體系

第一， 對我國地震災害實際發生情況進行全面分析， 不同位置的建筑物對地震作用力的承受能力不同， 最根本原因是由建筑物所在區域的不同地質條件決定的。 因此， 在選擇建筑項目地址時要開展環境和地震災害評估工作， 并考慮下面兩個方面的問題： 一是選擇在地質環境抗震能力強的區域開展高層建筑項目建設， 為確保高層建筑混凝土結構安全性奠定堅實基礎。 特別是要著力避免建筑場地存在滑坡、 泥石流等自然現象， 避免地處地震斷裂帶等環境。 若在建設過程中不能避開軟弱性、 濕陷性、 液化性等特殊土層和土壤， 要提前根據地基處理有關規程要求進行合理設計和加固處理。 此外， 還應探查清楚建筑物地下的土層厚度、 分布、 性狀和種類等情況， 認真做好高層建筑的地質勘查報告。 在對高層建筑的地基進行處理后， 還要鞏固和加強上部和基礎結構的整體性，同時， 通過分項系數法模擬地震力對各建筑物受力構件的沖擊情況， 全面系統地提高各構件抗震的能力。二是在高層建筑選址時， 需盡量防止選址周邊高危險性建筑物， 如變電站、 石油存儲建筑、 化工廠等， 一定要和這些高危建筑物保持適當安全距離。

第二， 適當調整整體構件與部分構件間的關系，以防止由于局部問題影響高層混凝土建筑的承載力和穩定性。 應確保在規劃時結構在合理范圍內具有變形空間， 同時合理控制贅余度和內力重分配性能。 在這些環節得到有效控制后， 一旦突發地震， 就算個別構件出現問題， 其余構件還可繼續發揮抗震作用。 在高層建筑混凝土結構體系規劃中， 一定要合理控制結構的剛度和強度， 尤其應注重節點穩定性， 提高底層柱支撐的強度， 確保延性滿足抗震實際要求。

4.2 合理布置建筑平、 立面

在設計高層建筑混凝土結構時， 要按照對稱性、合理性和均勻性原則， 科學有序地開展平、 立面布置工作。 通常情況下， 高層建筑在水平地震波作用下各樓層都會明顯產生偏移。 具體而言， 結構會出現彎曲變形、 剪切變形和扭轉變形。 結構不同所采取的控制方式也會不同， 控制方式主要有縮減梁距離、 縮減柱距離、 增加已有周邊抗側力結構的剛度、 應用雙重抗側力體系、 設置剛臂、 設置豎向支撐等。 設計人員可通過交錯式設計方法以增加建筑的跨度， 增強整體結構抗震能力， 避免薄弱層位置產生拉伸影響， 避免造成較大變形和位移， 從而使整體結構抗震能力符合國家相關規定標準。

4.3 優化建筑結構設計方案

在設計高層建筑混凝土結構時， 應仔細篩選方案， 確保最終方案能完全滿足目前我國相關規定標準， 只有如此， 才可保證主體結構空間充足， 確保高層建筑混凝土結構免受負面因素影響， 在長時間內高層建筑混凝土結構能相對保持平衡狀態。 設計人員一定要仔細計算混凝土結構在不同作用下所受影響的準確數據， 同時按照結果對構件的整體布局方式進行重新設計， 在兼顧科學性的前提下， 對建筑內部設施受力狀況進行協調和優化， 使建筑平衡受力， 提高建筑承受外力的能力， 破解豎向重力導致的系列問題， 從而實現原有規劃中剛度的設計標準。 同時， 要確保結構具有合理性， 防止發生其他復雜情況， 從而增強高層建筑混凝土結構實際抗震效果。

此外， 設計人員應對地震災害記錄信息進行深入研究， 將目前建筑標準與地震信息內容相結合， 選擇一些抗震性強的方案運用到各設計環節中， 提高高層建筑混凝土結構抗震設計實際效果。 針對一些細節問題， 設計人員要進行精細化處理。 例如， 對填充墻及隔墻盡量采用輕質材料以減輕結構自重， 主要是因為地震效應與建筑的重量成正比， 重量大了， 不僅作用于結構上的地震剪力大， 還由于重心高， 結構在地震作用下的傾覆力矩大， 故減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。

為滿足規范對混凝土柱軸壓比的限值要求， 柱截面往往較大， 在結構底部常常形成短柱。 短柱延性差， 地震時很容易發生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌， 可采取以下措施提高短柱的延性和抗震性能。一是選用螺旋復合箍筋， 顯著提升柱的抗剪承載力，增強柱子的抗震性能。 二是采用分體柱， 人為削弱短柱的抗彎強度， 在柱中沿豎向設縫將短柱分成2 個或4 個柱肢組成的分體柱。 采用分體柱的方式盡管無法較好地提高柱子的抗剪性能， 但可明顯提高柱的抗變形能力， 有助于保證高層建筑混凝土結構的穩定性和安全性。

4.4 有效控制地震扭轉效應

通常來說， 發生地震時， 建筑豎直方向和水平方向產生的作用力都很強， 同時會產生建筑內部扭轉。事實上也正是由于建筑物在多個方向作用力量的重壓下， 遭受到極為嚴重的破壞。 如出現房屋傾斜、 房屋倒塌等。 因此， 設計人員在進行高層建筑混凝土結構抗震設計時， 應對扭轉效應予以高度重視。 設計人員在設計中應對各層的扭轉修正系數分別計算， 計算時應主要控制周期比、 位移比。 若在規劃建設初期設計人員沒有實踐性參考資料， 應在規劃前選擇減弱最小位移帶點剛度和測量位移部分的剛度， 以確保在整體環境中結構位移一致性。 另外， 所有建筑細節設計都要符合國家相關標準， 若發現任何設計不合理， 一定要在第一時間由設計人員予以調整， 以最大限度地降低因扭轉效應造成的不良影響。

4.5 合理設置結構設計參數

設計高層建筑混凝土結構各層級結構參數主要是為了在發生地震災害后， 模擬高層建筑混凝土結構承受的沖擊、 各種受力影響， 同時進行有序計算， 主要計算主梁變形情況和墻體承載能力等內容， 對設計方案進行定量分析。 要嚴格控制主體結構的變形量， 防止在發生地震時高層建筑混凝土結構變形。 在對結構主體承載力進行計算時， 應對地震情況下延性位移和間位移角進行高度關注， 準確獲取主要構件變形數值， 對構件的構造要求予以明確， 并保證建筑場地條件優良， 從而減少地震時地震能力的輸入， 有效降低地震破壞高層建筑的程度。 設計人員在結構設計初期， 應提前對高層建筑具體位置、 場地地形條件、 建筑質量檢測、 周邊環境、 建筑建設工藝、 建筑所需材料等內容進行詳細深度了解， 并在此基礎上掌握關鍵點， 融入專項技能和建設理念， 有效設置基礎選型，設計完成建筑結構樣板。 針對部分較為關鍵的位置，設計人員要詳細進行說明標注， 不斷提高高層建筑混凝土結構抗震效果。

設計人員在研究復雜的高層建筑混凝土結構綜合受力情況時， 需應用建筑彈性模量理論、 應力理論等力學知識， 以考察建筑目前受力情況能否滿足建筑抗震標準。 在全面掌握這些標準后， 才可為高層建筑混凝土結構抗震能力的后續設計奠定堅實的數據參考依據。 通常來說， 高層建筑混凝土結構會涉及到軸壓比、 剪重比、 剛重比、 周期比、 位移比等參數， 設計人員的結構模式在短時間內無法實現預期效果， 因此， 需設計人員通過復雜計算， 使高層建筑混凝土結構具有一定抗震能力， 全面提高高層建筑混凝土結構整體的穩定性和合理性。

4.6 設置多道防線共同抗震

地震發生時， 往往會發生火災、 余震以及水患等很多次生災害， 在突遇沖擊荷載或偶然荷載的情況下， 僅依賴一道安全防御體系無法確保高層建筑混凝土結構的安全， 甚至還會造成整個體系失效， 因此，為減少和防止由于部分或個別構件遭到損壞而導致建筑整體強度的損毀， 在設計高層建筑混凝土結構抗震系統時， 往往會選用兩個及以上的抗震體系， 共同來強化對建筑的防護， 還要結合個別抗側力部件配筋率低和施工分布不均等情況進行優化改進， 最大限度地防止發生某一結構構件抗側移值太大的情況。 由于地震產生的作用力較大， 因此在設計高層建筑混凝土結構時需使其具有一定變形能力， 以減弱地震作用力，同時更需加強對高層建筑混凝土結構薄弱環節的抗震能力設計， 不能因薄弱環節損壞而對建筑整體抗震功能造成不利影響。 為確保建筑整體抗震能力， 應將建筑設計和建筑抗震設計有機結合， 使構件間形成整體效應， 各部件間能共同產生作用一起抵御地震造成的破壞力， 以起到良好的抗震效果。 另外， 建筑物各部件間可靠連接也可在很大程度上增強建筑物的抗變形能力和抗震能力。 在設計高層建筑混凝土結構時， 作為側向受力構件的剪力墻， 可在很大程度上確保結構構件的冗余度， 在設計中最好選用“大分散、 小集中” 的方式。 此外， 高層建筑混凝土結構的主要受力構件要具有較強的剛度和延性， 要構建完整的高層建筑混凝土結構屈服體系， 這樣一來， 在地震損毀第一道防線后， 第二道、 第三道防線還能進行防御保護。

5 結語

總而言之， 可通過采取合理選擇建筑位置和結構體系； 合理布置建筑平、 立面； 優化建筑結構設計方案； 有效控制地震扭轉效應； 合理設置結構設計參數； 設置多道防線共同抗震等多項有效措施優化高層建筑混凝土結構抗震設計， 更新設計理念， 堅持科學合理的原則， 優化抗震功能， 提高設計質量， 不斷滿足人們日益提高的生活質量要求， 確保人民群眾生命財產安全， 最大限度地降低地震帶來的經濟財產損失， 確保高層建筑混凝土結構安全可靠。