高層建筑結構抗震的優化設計分析

【摘要】為避免地震給人類帶來大的災難，作為工程技術設計人員在建筑結構的研究和工程設計中，為創造出更加安全、實用、經濟美觀的建筑。應從整體宏觀的觀點出發，綜合處理好建筑功能、技術、藝術、安全可靠性和經濟合理等幾方面內容。本文在高層建筑抗震設計發展的趨勢和理念的基礎上，探討了影響高層建筑結構抗震性能的相關因素，并有針對性的提出了相關優化設計的對策，希望能對高層建筑抗震設計中與工程設計實踐和研究工作方向有關的參考。

【關鍵詞】高層建筑；抗震性能；建筑結構

高層建筑是指超過一定高度和層數的多層建筑。我國《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）規定，10層及10層以上或者房屋高度超過28m的混凝土結構民用建筑物為高層建筑。現代高層建筑是隨著城市的發展和科學技術的進步而發展起來的，它的發展有利于節約用地、解決住房緊張，減少市政基礎設施和美化城市空間環境。現代高層建筑設計為了追求多功能、多變的使用空間及豐富的立面設計效果，常采用較為復雜的高層建筑結構體系。因此，高層建筑結構的抗震工作一直是建筑設計和施工的重點。

1.影響高層建筑結構抗震性能的相關因素

1.1地基

地基情況對于建筑物的震害有很大影響，地震時有一些建筑物往往主要由于地基失效而招致損壞。高層建筑的地基選取不恰當可能導致抗震能力差。在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高，因此，高層建筑應選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻中硬土場地， 遠離河岸， 不垮在兩類土壤上。地基土液化會導致地基不均勻沉降，從而引起上部結構損壞或整體傾斜，所以高層建筑地基的選取應避開不利地形、不采用震陷土作天然地基， 避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段建造房屋。

1.2材料的選用和結構體系問題

在高層建筑中，特別是在地震多發區， 應注意結構體系及材料的優選。“填墻框架”的房屋結構，鋼筋混凝土框架結構平面內柱上端易發生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發生短柱型剪切型破壞；“底框結構”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴重；采用“填墻框架”體系的房屋，當底層為敞開式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴重破壞；采用鋼筋混凝土板、柱體系結構的建筑，因樓板沖切或因樓層側移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面；采用框架一抗震墻體系的房屋結構，破壞程度較輕。我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了90%以上，由于其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規范側移限值。現在我國鋼材生產數量、類型及品種逐步增多，鋼結構的加工制造能力已有了很大提高，因此在超過一定高度后，由于鋼結構質量較小而且較柔，為減小風振需要采用混凝土材料，建議盡可能采用鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土（柱）結構或鋼結構，以減小柱斷面尺寸，并改善結構的抗震性能。

1.3建筑物高度

按我國現行高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2002） 規定，在一定設防烈度和一定結構型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個適宜的高度。在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞形態會發生很大的變化。超高建筑物的抗震能力會下降， 很多影響因素也發生變化。因為隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數（如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取）等本身超出了現有規范的適宜范圍。采用組合結構體系的大廈，有高度達到400多米，采用混凝土結構體系高度達到300多米。在震力作用下， 結構設計和工程預算的相應參數需要重新選取。

1.4抗震設防烈度

我國現行抗震設防標準是比較低的，中震相當于在規定的設計基準期內（50a）超越概率為10%的地震烈度。而且在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上遠不如國外嚴格。隨著社會財富的增長，結構失效帶來的損失愈來愈大，加之結構造價在整個投資中的比例下降，因而有人主張結構在設防烈度下應該采用彈性設計。此外，對于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個抗震設計原則，在新形勢下也應嚴格審核。

2.優化高層建筑結構抗震設計的對策

2.1重視建筑場地的選擇

具有不同工程地質條件的場地上，建筑物在地震中的破壞程度是明顯不同的。選擇對抗震有利的場地和避開不利的場地進行建設，就能大大地減輕地震災害。因此，應加強地基勘察，應采取有效措施。對于不利地段，這就考慮了地震因場地條件間接引起結構破壞的原因。由于建設用地受到地震以外的許多因素的限制，除了極不利和有嚴重危險性的場地以外往往是不能排除其作為建設用場地的。這樣就有必要按照場地、地基對建筑物所受地震破壞作用的強弱和特征進行分類，以便按照不同場地特點采取抗震措施。盡量避開不利地質環境，結構工程師應提出避開要求，如活動斷層、溶洞、局部突出的山包等。當無法避開時，應采取適當的抗震加強措施，應根據抗震設防類別、地基液化等級，分別采取加強地基和上部結構整體性和剛度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施。

2.2科學運用建筑材料及抗震結構的設計

在高層建筑的抗震方案設計中，建筑結構的材料選擇也非常重要。可以對建筑材料的參數進行抗震性能的分析，從整體上對材料的參數變異性進行研究， 選用符合抗震要求又經濟實用的結構類別。同時，又不能僅考慮建筑材料的承載力忽略其他因素。從高層建筑建設施工的各方面，來選擇符合抗震需求而且經濟適用的建筑結構材料。按此標準來衡量， 使用不同材料的幾種結構類型， 依其抗震延性性能優劣的順序是： 鋼結構， 型鋼混凝土結構， 現澆鋼筋混凝土結構， 裝配式鋼筋混凝土結構， 配筋砌體結構。在高層建筑結構的抗震設計中，可以從傳統的硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉變，實現以柔克剛、剛柔相濟，有效地減弱地震作用過程中釋放的沖擊力。結構構件應遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點若構件、強底層柱（強）”的原則。對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。

2.3合理分配設計建筑結構剛度、承載力和延性

力求對稱均勻是抗震概念設計十分重要的原則。“綜合抗震能力”的概念，就是要綜合考慮整個結構的承載力和構造等因素衡量結構抵抗地震作用的能力。地震時建筑物所受地震作用的大小與其動力特性密切相關，與其具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性密切相關。房屋是縱、橫向承重構件和樓蓋組成的一個具有空間剛度的結構體系，其抗震能力的強弱取決于結構的空間整體剛度和整體穩定性。提高建筑物的抗震性能，最理想的措施是使結構中的所有構件都具有較高的延性，采現澆樓、屋蓋是一種較好的增強樓房結構空間剛度和整體穩定性的方法，在適當的部位增設構造柱，并配置些構造鋼筋，也能達到增強結構整體性的作用；另外，設置配筋圈梁可限制散落問題，增強空間剛度，提高結構整體穩定性，從而提高房屋的抗震性能。結構主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形，因此，地震作用下，結構的延性與結構的強度具有同等重要的意義。為了使鋼筋混凝土結構在地震引起的動力反應過程中表現出必要的延性，就必須使塑性變形更多地集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構件上。第一步是選擇一個可接受的塑性變形機構；第二步是要通過人為增大各類構件的抗剪能力，使其不致在強烈地震作用下，在結構延性未發揮出來之前出現非延性的剪切破壞，這即是我們通常所說的強剪弱彎；第三步是通過相應的構造措施，保證可能出現塑性鉸的部位具有所需的塑性轉動能力和塑性耗能能力。