高層建筑結構抗震設計的實用性分析探討

李媛 黃利

中國石油工程建設有限公司華北分公司 河北 滄州 062552

引言

在進行高層建筑結構抗震設計的過程中，首先要考慮到的是如何將抗震性能應用到建筑的主體結構之中，這樣可以降低建筑在地震和洪澇災害中遭到的破壞性影響。在進行設計和建造時，必須明確了解和掌握高層建筑的抗震能力，明確影響抗震性能的各類要素，不斷優化設計高層建筑結構抗震體系，充分發揮高層建筑結構抗震設計實用性價值。

1 高層建筑結構抗震設計理論研究

高層建筑結構抗震設計是建筑工程項目規劃設計重點，對高層建筑工程項目進行研究分析，必然要對高層建筑結構抗震進行規劃設計，以探討其設計思想、方法以及相應的抗震對策。建筑物抗震標準是世界各地建筑抗震實踐所歸納的權威性內容，是指導建筑物抗震設計，包含結構動力計算、結構抗震措施、地基抗震分析的法律文書。這不僅體現了各國社會發展和經濟發展的高水平，也體現了各國在地震抗震方面的具體實踐成果。在抗震相關的科學學說指導下，朝著技術、經濟的合理發展，但是必須以施工實際為前提，以施工的安全為第一要務，絕不能出現絲毫的風險。

1.1 擬靜力學

擬靜力學是20世紀10-40年代發展的一個新的概念，該方法只假設建筑物結構是剛性，地震力水平作用于建筑結構質量中心，計算地震力大小時，具體以建筑結構重量和比率常量相乘得出，確定地震系數。

1.2 反應譜

在20世紀40-60年代，以了解強地震加速度檢測數據增多、地震地面運動特點等為前提，將結構動力反應特性作為理論依據，加理工大學的許多研究者對地震動加速度記錄特點進行研究，得出反應譜理論。

1.3 動力理論

動力理論是20世紀70-80年代廣泛使用的一種地震力學學說。其發展不僅是建立在60年代以后的電腦及實驗技術上的進步，對于不同類型的結構在地震中的線性、非線性響應有了更深刻的認識，而且由于觀測臺點的增加，對不同類型建筑物的地震響應記錄也越來越多。動力理論又稱為時程解析法，將地震視為一個時程，選取具有代表性的地震動加速度時程，將建筑物分解成多自由度子體系，以求出各時刻的地震響應，進而進行結構的抗震設計。

2 高層建筑結構抗震設計要點

一般情況下，當建筑物受到強烈的震動時，其抗震構造都會處于塑性狀態，為了使建筑物的抗震性能達到預期目的，必須在建筑的抗震設計中充分考慮其彈塑性變形。目前，在國內外關于抗震設計的發展方向上，多集中于在各種超過可能性水平地震作用下對結構變形與特性的需求。結構的彈塑性分析是抗震設計的一個主要方面，但是結構的彈塑性分析難度并不低，其彈性模量的確定和求解方法也不盡相同。目前的建筑結構抗震設計標準中，采用反應譜理論，完成抗震設計計算，采用彈性分析法進行位移及內力分析，采用了極限狀態分析法進行構設計[1]。對于部分有特別需求的建筑物，或者某些重點建筑，需要采用時程分析方法，對其進行加載運算，在大型地震作用下，對其變形情況進行計算，在罕遇地震條件下進行彈塑性變形分析。

3 高層建筑結構抗震設計基本原理

3.1 總體規劃

在進行結構抗震設計的時候，要做到從整個建筑的角度出發，為了確保地板的安全性和完整性，在規定的限度之內，可以將結構的運動量集中起來，并將其轉移到慣性作用，從而達到垂直倒置地震結構所必需的功能。其次，在進行結構抗震設計的時候，必須確保各子系統的抗震性能，以促進整體的抗震性能。

3.2 條理分明

現在關于房屋的抗震設計已經有了許多的研究，比如地震的移動和如何傳遞。因為在建筑的設計中，必須要嚴格遵守結構原理，這樣就可以對建筑物的位移、內力、弱點等進行分析和計算，并且還可以對其進行保護，從而提高工程的整體設計效果。

3.3 調整結構剛度、抗震性能

在發生地震的情況下，建筑的剛性和抗震能力都會受到雙重的影響。在整個結構的設計中，必須要將整個結構的剛性問題都納入到其中，這樣可以避免各種不同的方向上的震動，也可以弱化整體結構的扭曲與均衡，同時也可以降低大暴雨對建筑物的損害。

4 增強高層建筑結構抗震設計成效的策略

4.1 合理選用體系、材料

在高層建筑結構抗震設計中，特別是在地震頻發地區，人們越來越多地關注著高層建筑結構體系和材料的選擇問題。目前國內超過50米的高層建筑多采用三種結構形式，主要參考國外的建筑結構形式。其中有一點不同，在國外地震頻發區域，建筑大多選用鋼材材料，國內大部分都選用鋼筋混凝土、混合結構，國外對于鋼筋混凝土結構缺乏防震演示經驗。設計高層建筑物框架-核心筒體系結構，所用的鋼材量并不多，減少了立柱斷面，因而得到了業主的廣泛關注。在混合結構中，由于其內部的抗剪強度比較大，因此采用以鋼筋混凝土核心筒為主要構件，將鋼筋混凝土結構變形極限值視為變性控制基準。但是在實際工程中，彎曲變形移動較為明顯，部分鋼架剛性差，使得側移降低，從而增大了鋼梁承載力，在設計時應增大混凝土筒的伸臂結構、剛性，以保證其達到側移極限[2]。柱間距和結構系統出現變化時，設計結構轉換層，在轉換層和加固層的作用下產生機械剛性突變，從而增大與轉換層和增強層相連結構之間的聯系，增強和轉換層的連接部不能或者很難實施強柱弱梁，在變換層或者加固層的布置中，必須要合理地選取其構造方式，盡可能地減少自身的剛性，從而減少對其造成的負面效應。另外，在高層建筑物結構抗震設計中，也要考慮到材料和結構的優化問題，盡管現在的鋼材產量和種類越來越多，鋼結構的生產水平也有所提高，但還是有一些工程主要選擇鋼骨混凝土結構、鋼結構、鋼管混凝土結構等，以減少柱子斷面尺寸，提高結構耐久性。當超過某一水平時，由于鋼構件本身的重量較輕，一般采用鋼骨混凝土、混凝土材料等作為降低風振的首選。

4.2 科學、合理選址

地理位置、地形地貌、水文條件等都是影響抗震性能的主要要素，必須要對高層建筑工程地理位置、地形地貌、水文條件等因素進行現場調查和取樣，以此為關鍵參考依據，對其地理位置的確定進行全面分析。在選定施工工地時，還要對房屋在地震中的損傷特性和損壞情況進行細致劃分，并針對不同場地特性，制定相應的抗震對策，以排除不良影響。在進行結構抗震設計時，結構工程人員還要對地基液化程度、地基抗震設防類別等進行有效研究，并據此提出相應的改進方案，以提高上部結構、基礎結構剛度，從而有效的處理地基液化沉陷問題，從而防止不利地質條件對結構的整體強度和穩定造成負面影響。

4.3 提高抗震等級

在結構抗震設計中，若結構強度不能滿足規范規定，將會在以后的應用中產生震動，造成結構破壞、裂縫、位移等問題，從而使工程施工品質下降。為有效避免此類問題的發生，設計人員應充分把握建筑物抗震等級，提高其抗震能力的科學性，降低建筑結構病害發生概率。現階段，可充分利用信息技術、數字化技術，進行智能模擬演示，對高層建筑結構特性進行技術研究，著重于明確高層建筑結構物理剛度，并對高層建筑結構變形和扭力的參數進行研究。在進行計算時，可以根據現行的結構形式和有關技術規范，對高層建筑結構物理剛度進行合理的測試與判定，以保證高層建筑扭轉與變形的剛性1.1～1.2范圍內[3]。在剪力墻和簡化連梁規劃設計中，有關的參數應滿足以下兩點。第一點是必須將連梁跨距高度限制在2以下，并采用暗柱作支承，保證結構的穩定。第二點是若連梁跨距高度比值小于1，則應采用十字暗柱作支承。地震活動主要由地殼垂直運動引起，在抗震構造設計中，應充分掌握地質地理構造的特點和活動規律，并結合以前的資料進行研究，對其周圍的環境進行科學控制，對地震發生頻率、地震等級的變化做出預報和判斷，從而為抗震設計和施工提供真實有效的地理地質數據基礎。同時，設計人員通過對該區域的地震活動進行研究，可以保證整個區域建設項目地質構造布置以及整個區域的地震活動趨向保持相對垂直，控制較大等級地震對高層建筑工程設計成效的不良影響。

4.4 剛性控制層設計

提高軸線豎向剛度是提高墻體結構抗震能力的關鍵，必須嚴格遵守結構抗震設計準則，并以底層結構的地震墻體為主體。建筑底層框架的構造比較復雜，使用復合構造材料的形成混合結構，對提高房屋的抗震能力是不利的。為此，必須根據各參數剛性，根據計算結論，確定結構的剛性控制標準，具體包含以下四個方面內容。第一個方面是底層抗震墻體剛度調控，以墻體在震中產生的撓性變形為基礎，并根據剪切變形，求出剛性控制限數值，明確上述兩個條件下底層抗震墻體剛度調控范圍。第二個方面是底層框架剛度調控。在確定框架梁剛性參數的前提下，以結構的撓曲變形系數為唯一標準，確定框架柱剛度區間。第三個方面是砌體抗震墻剛度調控。此項性能參數應按墻高、墻寬之比來決定，若比例小于1，則以剪切為控制基礎，以防止產生變形，并設置剛性控制區域。在比例不大于1、不超出4的情況下，根據剪切變形，添加撓性指數，設置剛性控制區域。在比例大于4的情況下，用等效方法使其側向剛性為0。第四個方面是嵌砌的砌體抗震墻剛性控制。該部位的剛性比較高，在結構的彈性側移剛性基礎之上，添加框架彈性側移剛性，這二者的總和是剛性調控限制數值。

4.5 抗震計算

根據底部剪力方式，可以對房屋的抗震情況進行分析。當鋼構件具有高的總體高度時，可用分解反應譜方法進行分析。設計者應對本項目所處地理位置的特定抗震要求作出規定，一般有4～6級地震級別的區域，應按特定規范中的標準來進行建筑布局，同時要充分考慮到房屋本身條件和當地地理條件，保證其抗震能力與實際水平要求相符。同時，對施工現場進行詳細分析，并依據當地抗震設防烈度標準，確定相應的抗震處理措施。在進行地震反應時，必須對重力荷載代表性數值進行計算，而最后的載荷由固定標準載荷加上活載荷數值來決定，活荷載組合值系數為0.5，不同結構活荷載組合值系數為0，屋面部分活載荷不包括在內。

4.6 薄弱層構造設計

地震自然災害具備突發性特點，對于地震自然災害發生規律，仍無較為明確的研究成果，在地震自然災害預警方面，尚且不能百分之百保證提前預警。在進行高層建筑的設計中，尚且不能精確的預測出房屋主要參數、地震特性，必須要對其進行綜合分析，找出其中的弱點，然后進行針對性的改進，以保證整個建筑的安全。在建筑物的薄弱部位，比較有可能出現建筑物豎向抗側力不連續、樓層受剪承載力突然變化、建筑結構雙向側向剛性分布不均衡等問題，加之薄弱部位非常容易被破壞，在進行軟弱層設計時，必須采用更好的抗震結構，以改善其抗震能力。結構分析軟件能可以對施工區域的薄弱部位做出準確判定，并對薄弱層進行有效監控，使薄弱層具備承受多種效應的功能，避免薄弱層發生過度的變形，避免薄弱層遷移。

5 結束語

現階段住宅用地不斷縮減，城市高樓大廈必將是最理想的居住方式。如何確保結構安全性，尤其是結構的抗震性能是非常關鍵的。確保高層建筑結構抗震強度符合使用需求，是結構抗震設計的首要目標，要不斷優化結構抗震設計方法，以設計出更高質量的房屋抗震結構。