高層建筑結構抗震性能優化的關鍵技術分析

0 引言

在我國城市化進程加速推進的背景下，高層建筑集群已成為現代城市空間的重要特征。然而，其高度密集化、結構體系復雜等特點，使其在面臨地震等自然災害時存在顯著脆弱性。開展高層建筑地震反應分析具有重要的工程實踐價值。結構抗震性能不僅直接影響工程主體的安全穩定，更關乎社會公共安全與民生保障。通過深入研究高層建筑結構的地震響應特性，系統揭示其在地震作用下的動力響應機制，可為提升高層建筑抗震安全性能提供理論依據和技術支撐。

1高層建筑工程實施案例

1. 1 基本情況

以某高層建筑工程為例，本工程共22層，總高70m ，其中地上20層，地下2層。項目整體占地面積約 2500m² ，建筑面積 21000m² （地上 18，000m² ，地下 3000m² )。從整體來看，該建筑所在區域內的地質結構較為穩固，無大震事件，抗震設防烈度為7度(0.15g) 。勘察單位出具的正式勘察報告顯示，本工程所在地層構造從高到低依次為：以建筑廢棄物及廢棄物的混合物為主的雜填土層，承載力 80kPa ；約4.5m 厚粉質粘土層，承載力 150kPa ；約 4.5m 厚粉土層，承載力 180kPa ；約 10m 厚的粉質黏土層，承載力 200kPa ；約 8m 厚的中砂層，承載力 300kPa ；承載力 250kPa 的 10m 厚粉質粘土層。該工程場地地下水體以第四系孔隙潛水為主，地表深度 5m ，年均水位波動 2m 左右。

1.2基坑支護

鑒于工程地下建筑為兩層結構，基坑開挖深度確定為 9m 。采用SMW工法灌注樁作為支撐體系，樁徑850mm 、樁距 600mm ，水泥摻量 20% ，外圍以C25混凝土進行圍護。設置兩層混凝土加固支架，第一層支架埋深 3m ，第二層支架埋深 6m 。支護結構斷面尺寸為 800mm×800mm ，混凝土強度等級C30。在此基礎上，以SMW工法為核心，采用直徑 600mm 、樁間距 400mm 、水泥摻量 25% 的高壓旋噴樁構建止水帷幕。為保障工程質量，深基坑施工期間，沿基坑周邊布設位移監測點、地表沉降觀測點，并同步監測地下水位，以優化基坑支護效能，這是確保及提高工程抗震性能的前提。

1.3構件、材料選擇

在高層建筑抗震性能影響因素中，除基坑支護外，建筑樁基亦不容忽視。本工程選用預應力高強混凝土管樁，采用先張法工藝預制，單樁承載力特征值預估達 1700kN ，同時確保樁長不 <22.5m 且樁身嵌入厚粉質粘土層不 <1.5m ，混凝土強度等級為C80，以最大限度降低不均勻沉降對工程的不利影響。樁基施工采用大噸位壓樁機，并輔以引孔等措施，確保沉樁作業順利完成。承臺尺寸為 4000mm×4000mm× 1500mm ，采用C40混凝土澆筑。建筑物主體結構中，梁、柱、墻主筋直徑為 16～28mm ，箍筋直徑 8～ 16mm ，間距 100～200mm 。鋼筋連接采用機械與焊接相結合的方式，以保障整體抗震性能。其中，梁、柱、墻混凝土強度等級為 C30～C45 ，樓面混凝土強度等級為 C30～C35 ，均采用泵送分層澆筑，澆筑厚度控制在 300～500mm 范圍內。在上述材料的參數數據選擇中，均借助下列公式進行計算，以確保材料符合實際要求。

其中， σ 為材料實際應力， MPa ; F 為作用力，N； A 為構件截面積， m² ： f_y 為材料屈服強度， MPa 。

其中， σ_cr 為臨界屈曲應力， MPa . E 為材料彈性模量， MPa ; λ 為長細比。

1.4抗震設計

為提高建筑本身的抗震性，在實際設計計算過程中根據阻尼比公式和自振周期公式，計算出具體的參數數據后，其中阻尼比為0.04，結構自振周期為0.3s 。在墻體拐角、樓梯間和電梯豎井等重點位置建造結構柱。采用 450mm×450mm 的尺寸設置柱體，混凝土等級C30。在結構柱與墻體之間以 500mm 的間距設置 6mm 厚拉結筋。抗震剪力墻，厚度從 200～ 300mm ，混凝土強度是 C30～C45 。在墻體內部設有暗柱暗梁，暗柱鋼筋直徑 20～32mm ，配筋 8～ 12mm ，間隔 100～200mm 。暗梁主筋的直徑從 20～ 32mm ，配筋的直徑從 8～12mm ，間隔從 200～300mm 不等。

從最終計算結果來看，上述技術方案顯著優化了本工程的地震響應特性。通過結構體系簡化、高強高剛度材料運用、抗震設計強化，以及科學方法與新型設計理念的融合，構建了一套較為完備的高層結構抗震設計體系。

2提高高層建筑結構抗震性的技術細節

對于高層結構，如何確保及提升其結構體系的抗震能力是一個非常重要的問題。為保證高層結構在強震作用下的安全與穩定，需要進行一系列的重要技術處理。從上述高層建筑案例中的設計思路來看，在實際結構設計中可從以下幾項內容入手。

2.1簡化建筑系統中的組件數目

為降低工程復雜度、提升施工效率并控制造價，需對高層建筑的結構布局進行深入剖析。在確保結構完整性與穩定性的基礎上，簡化制造流程并降低成本。這就要求設計者需在初期階段對建筑進行全面分析，并明確必要組件與可簡化或合并的部分。

（1）利用BIM技術進行模擬數據分析，依據計算結果優化組件單元配置，以提升建筑結構的抗震性能。在研究結構受力性能與荷載傳遞路徑時，需進行詳盡的受力計算，以確保內部元件布局合理、荷載傳遞精準。以前文案例為例，為保障建筑整體抗震性，重點優化了梁柱與剪力墻的連接與布置，以避免應力集中與荷載傳遞不暢。具體實踐中，施工圖設計階段需精選梁、柱等構件的截面形狀與配筋方式，從而減少應力集中，提升結構整體抗震響應能力。

(2）梁柱連接及其與框架的連接是高層建筑抗震的關鍵，其工作狀態直接影響整體抗震性能。因此，需對節點進行特殊構造處理，以確保在強震下仍能保持良好的連接與荷載傳遞能力。通過加固節點、提升節點強度、增加預應力及能量耗散能力，可全面改善節點性能。為增強結構整體抗震能力，需采取措施提升側向承載力。以前文案例為例，通過設置水平支撐與剪力墻，有效提高了結構抗側移能力。

2.2選用高強度高硬度材料

采用優質材料可顯著提升結構承載力與抗震性能。當前，高強混凝土與高強鋼筋是我國高層建筑領域的兩大核心材料[1]。在構件選型時，需結合具體結構條件，分析構件受力特性，明確荷載傳遞規律。憑借高強度、高耐久性及良好工作性能，這些材料在高層建筑中應用日益廣泛。高性能混凝土的應用大幅提升了結構的承載能力與抗震響應能力，同時其優異的耐久性與抗滲性有效延長了建筑使用壽命，降低了維護成本。高強度鋼筋因其高強度與良好焊接性，在高層建筑中得到普遍應用，可改善梁、柱及剪力墻等構件的工作性能，增強結構抗震能力[2]。此外，采用高強度鋼材可減小構件截面尺寸，提升建筑經濟性與美觀性。在材料選擇時，應全面評估材料特性。混凝土選擇需綜合考慮抗壓強度、抗折強度及耐久性；鋼筋性能評估亦不容忽視，需計算屈服強度、抗拉強度及延伸率等指標。從工程案例及前文數據可見，該工程嚴格把控各項性能參數，所有建材均設定明確嚴格的數據標準，以確保所選材料滿足抗震性能要求。除選用高強高硬度材料外，還需對加固件性能進行評估，包括桿件截面尺寸、配筋形式及數量等，以確保建筑在強震下仍能保持穩定。

2.3增強結構的地震響應能力

為提高高層建筑的地震響應能力，需在施工過程中采取科學的結構布局、優化節點連接形式并合理設置消能裝置，從而有效提升結構的抗震性能。建筑結構的合理布局是抗震分析的基礎，設計時應避免應力集中和傳力路徑不暢等問題，并對荷載傳遞路徑進行系統優化。以框剪體系為例，需通過合理設置結構構件確保地震作用下的受力均衡，防止局部破壞現象發生。節點設計是影響結構整體抗震性能的關鍵因素，在抗震設計中，應優先選用剛接梁柱節點或配置消能構件的形式，以增強結構在強震作用下的抗剪和抗彎能力。同時，應重視墻體連接節點的構造設計，如在本文案例中，通過設置暗柱、連梁和框架柱等構件，可顯著提升結構抗震性能。對于甲類等重要建筑，建議采用抗震墻或阻尼器等消能裝置，根據建筑功能需求和地震特性合理布置抗震構件，科學確定消能減震結構的設置形式和數量，從而有效削弱地震波等橫向荷載的影響，確保結構在強震作用下的安全性[3]

2.4科學方法和新工藝的運用

在落實上述結構設計技術外，從全新的施工工藝出發，引入更多新工藝，是后續建筑發展過程中的核心關鍵也是實現結構抗震性能優化的重點措施。近年來，由于科學技術的不斷發展，許多新的科學方法、新工藝不斷地被運用到高層結構的抗震設計中。智能化減震系統、新型結構材料和現代分析技術正逐步應用于高層建筑抗震設計領域，為研究超高層建筑的地震響應特性提供了新的技術支撐。智能消振系統是一種對地震動信號進行實時監控并調節其剛度、減振效果的新方法[4]。在高層以及超高層建筑中，采用基于傳感器的智能減振裝置，可實現對地震動響應的精準捕捉與動態調控。比如，改變剛度支承、變阻尼等設備，可使其隨地震動幅值、方位進行調節，達到降低地震反應的目的。采用智能減振體系可以有效改善高層建筑的整體抗震能力，減小其對結構的沖擊。

近年來，材料科學不斷發展，各種新材料不斷涌現，并在工程中得到廣泛應用。例如，一些新材料如復合材料、納米材料等，由于其高強高韌，耐久性能好等特點，適合作為梁柱和剪力墻等結構構件使用。利用這種新的結構形式，可以有效地改善其受力、抗震、減震等方面的性能。采用這種新的結構材料，不僅能有效地提高建筑的建造速度，而且能減少工程造價，產生明顯的經濟、社會效益。

此外，先進的分析技術在提升高層建筑抗震性能方面發揮著舉足輕重的作用。隨著計算機科學與仿真技術的不斷進步，有限元法、計算結構力學等新型計算手段在工程中得到了廣泛應用。這些技術能夠精準模擬結構在強震作用下的動態響應及失效過程，為抗震設計提供堅實的數據支撐。基于現代分析手段，可對結構進行合理布局與配筋設計，進一步優化其地震反應能力。同時，先進分析技術的應用還降低了實驗成本、縮短了實驗周期，并提升了實驗效果。

除上述關鍵要素外，項目實施階段的高層結構質量管理亦不容忽視。在工程建設過程中，必須嚴格遵循工程設計及相關規范標準，確保工程質量達到設計使用要求，進而保障項目的安全穩定。

3結語

綜上所述，通過優化結構體系設計、選用高性能建筑材料、完善抗震構造措施以及應用現代化技術工藝，可顯著提升高層建筑結構的抗震性能。本文從結構體系選型、材料性能優化、抗震設計方法及創新技術應用等多個維度，系統探討了高層建筑抗震設計的關鍵技術。實踐表明，在工程實施階段嚴格執行質量管理體系并遵循規范標準，是確保建筑結構安全性、適用性和耐久性的重要保障。未來，隨著新材料、新技術的不斷發展，高層建筑抗震設計將迎來更廣闊的發展空間。

參考文獻：

[1］郭大鵬.扭轉不規則狀態下高層建筑剪力墻抗震性能研究[J]．江蘇工程職業技術學院學報，2024，24（4)：1-6.

[2］王海龍．高層建筑結構體系中抗震性能研究與優化［J].城市建設理論研究（電子版），2024（15)：190-192.

[3］張華敏．冶金工業建筑結構設計中的抗震性能優化研究[J]．城市建設理論研究（電子版)，2024（3)：190-192.

[4］王穎．超高層建筑結構設計問題及對策研究［J]．科技與創新，2022（12）： 4-6+14