分析抗震概念設計在高層建筑結構設計中的運用

齊能斌

（洛陽智中建筑設計院有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

隨著我國社會經濟以及科學技術的迅速發展，建筑工程在國內的發展空間也隨之不斷擴大。因此，針對高層建筑結構設計的質量要求也在不斷提升。高層建筑是目前我國現代建筑工程最為主要的發展趨勢，其對應建筑的結構設計是建筑物安全性的有效保障。地震作為一種自然現象，對高層建筑的結構設計具有一定的挑戰性，即人為因素無法有效避免地震現象，但高層建筑的抗震結構設計能夠進一步提高建筑的抗震性，以此保證高層建筑的安全性能。因此，對于高層建筑的抗震設計應不斷進行基本的概念設計以及原則確定，由此科學合理地在高層建筑結構設計中應用抗震設計。

1 高層建筑中的抗震概念設計

在當前我國高層建筑結構的布局中，概念設計的應用能夠充分提高高層建筑物的抗震功效，能夠有效對高層建筑物進行生命財產的保證。而對于概念設計相關理論的有效保證，要求其理論設計與實際試驗結果相結合，在概念設計的思想中，應嚴格融入相關的工程經驗，形成概念設計的基本原則，并且將對應的原則進行融合運用，以此對高層建筑的結構進行合理化設計。對高層建筑的發展情況而言，伴隨著城市化的進程加速，人們對高層建筑的需求也愈來愈大，而由地震等自然災害造成的建筑損失也較大。因此，人們對高層建筑安全性以及抗震性的要求也逐漸加大，并深刻認識到建筑抗震概念設計對于建筑結構的重要性。

在目前高層建筑的結構設計過程中，為了進一步提高建筑物的抗震性，從建筑物的結構設計理念和相關原則出發，在不斷提高建筑抗震性能的要求下對地震災害進行嚴格的分析研究，以此為基礎進行一系列模擬實驗，并且對高層建筑的抗震性能進行合理的定量以及定性分析。與此同時，在對高層建筑中抗震概念設計的過程中，應不斷對國內外的部分抗震結構設計進行經驗總結分析，以確定我國建筑抗震結構設計的基本方案[1]。對于抗震概念設計，其應合理掌握對應的原則與方法，基于高層建筑的結構設計理念，以其對應的規則性為基礎，利用概念方法對建筑設計過程中無法解決的問題進行規則化分析研究，從而做出正確合理的判斷，以充分提高高層建筑結構設計中的抗震概念設計[2]。

2 高層建筑抗震概念設計的原則

2.1 抗震概念設計的簡單性

針對高層建筑的抗震概念設計，其簡單性主要指的是在地震作用下，建筑的結構具有較為明確以及直接的傳力途徑。在當前的高層建筑抗震結構設計的規范中，對于抗震結構的設計具有一定的要求，即結構體系應該具有明確的計算簡圖以及存在合理的地震作用傳遞途徑。只其建筑具有簡單的結構，才能夠保證能夠準確的對其結構位移、內力和模型進行分析，同時精準把握高層建筑結構設計過程中關于抗震性能設計的薄弱點，對應采取適當的措施，避免其薄弱點出現[3]。

2.2 抗震概念設計的規則性和均勻性

針對當前的高層建筑結構，其中對抗震概念設計的相關理念設計應從豎向布置和立面布置進行設計，保證其相關剖面的規則性。對于高層建筑抗震概念設計的相關結構設計，其中不僅語言掌握剖面布置的規則性，還應對建筑結構的側向剛度進行考慮，保證其變化均勻性，從而進一步保證對應結構傳力途徑、側向剛度以及抗側力結構承載力的突然改變，以期防止高層建筑結構設計在豎向的樓層建筑或者是少數的樓層建筑過程中出現薄弱環節[4]。

2.3 高層建筑的剛度和抗震能力

對于高層建筑的抗震概念設計，其主要考察的是在地震等自然災害作用下，相關建筑對于其地震的震感以及作用力的抵抗性。而高層建筑的抗震能力大小與其建筑結構的剛度是具有一定關聯性的，在高層建筑的結構設計中，準確制定結構的剛度，繼而對其建筑結構進行合理布置，能夠在一定程度上充分抵御任意方向的地震作用。一般情況下，建筑過程中沿著平面設計的兩個主軸方向都應該設計有一定程度的剛度以及抗震能力，這就要求應盡可能地對建筑結構的形態進行保持，即有效控制建筑結構的變形，以此充分降低地震作用對當前高層建筑結構帶來的沖擊性影響。以此有效避免對應的建筑結構發生更大的變形，從而造成重力二階效應，引起高層建筑結構的失衡，從而造成一定程度的建筑結構損傷，并且嚴重影響了高層建筑的抗震性能[5]。

2.4 高層建筑的結構整體性

對于高層建筑的結構設計，其主要是對樓層的整體性進行統一的安排設計，其中樓蓋的整體性是高層建筑結構整體性的重要部分。保持高層建筑的樓蓋整體性，等同于利用具有聚集作用的水平隔板，能夠有效幫助慣性力在各個豎向抗側力子結構中的傳遞作用。因此，在高層建筑的結構設計過程中。抗側力子結構應該具備一定的抗震性能。若是豎向抗側力子結構未能均勻分布，其結構布置也相對復雜，那么將極容易造成抗側力子結構出現水平變形特征差異。而這種情況的出現就對樓蓋的整體性統一工作具有一定的要求和依賴性，即在此時的高層建筑結構設計過程中，樓蓋成為保證抗側力子結構順利進行協同工作的必要條件[6]。

3 抗震概念設計在高層建筑結構中的設計要點

3.1 建筑結構設計

在高層建筑結構設計的過程中，抗震性能作為其建筑安全性的一大保證，與建筑的結構密切相關。高層建筑質量的分布與其對應結構的剛度都能夠在一定程度上影響建筑結構，并且也是建筑抗震能力的重要因素。在建筑抗震設計中，高層建筑整體的一個結構質量分布以及對應的剛度較容易出現不均勻的現象，尤其是在地震等自然現象的突發狀態下，建筑的剛度中心以及質量的中心難以重合，遇到地震扭轉力較大的情況，極容易造成建筑的扭轉，破壞高層建筑的結構，從而造成人員的傷亡。因此，在高層建筑的結構設計初期，就應該對其質量以及剛度中心的重合實行有效措施進行保持，以此提高建筑的抗震性，而較為簡單整潔的設計能夠在一定程度上幫助建筑結構質量與剛度中心的重合[7]。

3.2 高度和寬度的設計

就目前高層建筑的結構設計，其抗震性能的大小與建筑的高、寬度比具有一定的相關性，當高層建筑的高、寬比過大時，建筑的抗震性就會相對降低，在地震發生時建筑的損壞程度也較大。因此，在對高層建筑進行抗震設計時，應確保建筑的高、寬度比值較適中。尤其是在地震情況下，為了有效保證建筑的穩定性，應合理設計建筑的高、寬度比，在其結構設計的初期就應確定一定嚴格的比例。特別是處于地震高發區域的高層建筑，應嚴格限制高層建筑的整體高度，以防止地震時建筑振幅過大，進一步提高整個地區建筑的抗震性。

3.3 變形縫與縱橫墻的設計

在高層建筑的抗震概念設計過程中，變形縫以及縱橫墻能夠有效保證抗震性能的穩定性。變形縫主要包括了伸縮縫、沉降縫以及防震縫。伸縮縫即溫度縫，通常情況下會將較長的建筑分為好幾個短單元，以此充分分散溫度應力對建筑的破壞程度。沉降縫則指的是在建筑地基的土質較差或者建筑高度、負荷以及結構與其相鄰部分差別較大時，建筑的沉降程度都具有一定的差異。而這類的差異都將導致建筑物的部分薄弱部分出現開裂等情況，以此影響建筑物的結構質量以及抗震性能。因此，對于建筑適當的位置應合理設置建筑物的垂直間隙，將其建筑分成各個單元，即將其建筑分為各個單元而能夠保證建筑相鄰沉降的縫隙就是沉降縫。防震接縫主要是能夠將形狀復雜、結構不規則的建筑物分為形狀簡單并且結構相對規則的獨立單元，從而提高建筑的抗震性[8]。

4 美洲馬那瓜高層建筑抗震概念設計案例

通過對1972年12月22日美洲馬那瓜的突發性強烈地震情況進行建筑樓的數據分析，其中，高18層的馬那瓜美洲銀行大樓只是出現了一些裂縫，而同在市區的15層馬那瓜中央銀行卻嚴重受損，因此，對馬那瓜美洲銀行大樓的建筑結構進行分析研究，其結構形狀規則對稱，運用了許多防震設計思想，相比之下，中央銀行平面以及豎向上都不規則。而在對其相關建筑進行的震后調查以及結構分析中，可以得到中央銀行的塔樓結構存在非常嚴重的扭轉效應。即樓層三層以上的北面和南面多數柱子抗震性能較低，率先破損，而其在水平地震的作用下，柔長的樓板產生了一定的豎向運動，而美洲銀行的結構系統總體呈現平面以及豎向結構相對均勻對稱，具有多道防線以及剛柔結合的概念設計結構，對應的承載力、剛度和延性都相對較理想。

5 抗震概念設計在高層建筑中的具體應用

5.1 科學選擇建筑建設地址

在地震等自然災害的突發情況面前，其預警系統還未完善，高層建筑抗震概念的相關設計人員應該根據對應的建筑建設地點從前實際發生地震的次數和情況進行地震突發可能性的預估，依據其相關數據選擇次數減少或者是未發生過地震的區域作為建設地址，并且對其地質情況進行調查。相對于高層建筑周圍的環境選取，其應該選擇地質條件相對堅硬的地區或者是周邊缺少大型湖泊、河流的地區作為施工地點，以此有效保證高層建筑能夠具備一定的抗震基礎。并且在一定情況下應選擇黏土作為其施工土質，并且嚴格確定其檢測距離，做好參數記錄，尤其應做好建筑外部凸起部分的檢測，其經過研究表明，高層建筑的外部凸起部分需要較強的抗震性能，因此需要對其相關部分加強施工處理[9]。

5.2 合理降低建筑的外部能量輸入

對于抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用，其主要是為了加強高層建筑的抗震性能。因此，在其結構建設過程中提高對高層建筑施工場地覆蓋層的材料甄選，盡量選擇較為輕薄的材質作為其場地覆蓋層，并且根據國家制定的覆蓋面厚度進行一定控制，從其施工場地的地面到堅硬場地上面的相關面積都應該進行覆蓋面的處理。尤其是巖石較多的堅硬場地，其應針對實際土地情況進行特殊處理，并且借鑒其他國家對巖層的處理方法，對土質密度較大的區域進行嚴格檢測，以此保證地震造成的損害盡可能得作用在巖石材質上，從而進一步保障高層建筑的抗震性能。

5.3 高層建筑平面與立面的布置

在高層建筑的抗震概念設計過程中，其抗震概念設計要求應嚴格確定建筑結構的規則性，不規則的部分建筑應該按一定標準和規定加強措施，而特別不規則的建筑則應該進行專門的研究和論證，并且同時采取特殊的加強措施，在其建筑設計過程中不能采取嚴重不規則的建筑。對于高層建筑的規則性評價應結合建筑的整體進行考慮，例如其建筑的幾何結構布局、結構設計以及其他的使用因素，總體的要求主要是對建筑的平面布置、結構質量以及抗側力構件的平面布局進行，即要求其對應的平面布局應該規則對稱、立面布局的變化以及側向剛度的變化都應是均勻的，其豎向的抗側力構件截面尺寸以及材料強度應該是從下到上逐漸減小，能夠充分避免側向剛度以及承載力的突變[10]。

6 結語

對于目前我國高層建筑的建設情況，隨著城市化的不斷推進以及城市經濟的不斷提高，人們對高層建筑的需求愈來愈大，對其建筑的安全性以及抗震性也有了更嚴格的要求。抗震概念設計則是有效提升高層建筑抗震性能的重要工作。針對抗震概念的意義對高層建筑的結構進行深入分析和研究，并且從高層建筑的施工工作以及結構設計方面進行具體分析，以提高高層建筑的抗震性能。