混凝土高層建筑抗震設計淺析

【摘 要】近幾十年來，鋼筋混凝土結構有了更大的發展，混凝土強度和鋼筋強度得到提高，鋼筋混凝土結構的應用范圍不斷擴大，預應力混凝土結構也開始應用。鋼筋混凝土高層建筑成為了當前建筑物的一個主體工程，如何保證建筑結構抗震設計是否過關尤為重要。設計階段決定主體結構構件、非結構構件的尺寸與構造、連接，是結構抗震性能目標能否實現的一個重要階段。論文就鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計進行探討，旨在促進了鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構的飛速發展。

【關鍵詞】高層建筑；結構工程；抗震設計

一、結構抗震設計的重要性

地震是一種隨機振動，有難于把握的復雜性和不確定性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數，目前尚難做到。在結構分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、結構材料的非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，同時也存在著不準確性。因此，工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決，而必須立足于“概念設計”。概念設計是指設計人員從結構的宏觀整體出發，用結構系統的觀點，著眼于結構整體反應，正確地解決總體方案、材料使用、分析計算、截面設計和細部構造等問題，力求得到最為經濟、合理的結構設計方案以達到合理抗震設計的目的。結構抗震概念設計的目標是使整體結構能發揮耗散地震能量的作用，避免結構出現敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果僅集中在少數薄弱部位，必會導致結構過早破壞，目前各種抗震設計方法的前提之一就是假定整個結構能發揮耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震作用進行結構計算、構件截面設計并輔以相應的構造措施，必要時采用彈性時程分析法進行補充計算，試圖達到罕遇地震作用下結構不倒塌的目標。

二、高層混凝土建筑結構抗震設計策略

1、從建筑的全局出發

高層混凝土建筑結構設計要從建筑的全局出發，全面考慮各種建筑部位的功能，在此基礎上，科學設計每個部分的構件，保證每個部件之間的契合，促使每個部件或者是若干部件組合起來可以完成某一特定的設計要求，滿足一定的現實需求，同時，通過抗震設計，使得每個構件都可以具有相應的承載力，當地震來襲，每個構件都可以有著一定的次序先后破會，整體組合構件將會有著更強大的承載力和柔性，從而延緩地震破壞的速度，消耗爆發的能量。增強建筑的整體抗震能力。

2、地基選址

地基選址是進行建筑結構設計的基礎，因此，在房間結構抗震設計中，要科學避開山嘴，山包，陡坡，河流等不利因素，要本著堅硬，牢固，平坦，開闊的選址原則。親身實地，利用先進技術設備，進行地質勘探，山石水土監測，并取樣論證，科學嚴謹分析。力求使得整個地基牢固可靠，地質穩定無滲漏，無坍塌，無暗河，無熔巖，無火山……從而保證整個地基不會因為承載而發生小范圍的坍塌。影響到整體承載能力和抗震能力設計。

3、高度的確定

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。這個高度是我國目前建筑科研水平、經濟發展水平和施工技術水平下，較為穩妥的，也是與目前整個土建規范體系相協調的。可實際上，已有許多混凝土結構高層建筑的高度超過了這個限制。對于超高限建筑物，應當采取科學謹慎的態度：一要有專家論證，二要有模型振動臺試驗。在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態會發生很大的變化。因為隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍，如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。

4、材料的選用和結構體系

在地震多發區，采用何種建筑材料或結構體系較為合理應該得到人們的重視。我國150m以上的建筑，采用的三種主要結構體系（框—筒、筒中筒和框架—支撐體系），都是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外，特別在地震區，是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了90%。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大地震作用的考驗。在高層建筑中采用框架———核心筒體系，因其比鋼結構的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業主所看中。混合結構的鋼筋混凝土內簡往往要承受80%以上的震層剪力，有的高達90%以上。由于結構以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但因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，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；此外，在結構體系或柱距變化時，需要設置結構轉換層。加強層和轉換層都在本層形成大剛度而導致結構剛度突變，常常會使與加強層或轉換層相鄰的柱構件剪力突然加大，加強層伸臂構件或轉換層構件與外框架柱連接處很難實現強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉換層時，要慎重選擇其結構模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

在高層建筑中，應注意結構體系及材料的優選。現在我國鋼材生產數量已較大，建筑鋼材的類型及品種也在逐步增多，鋼結構的加工制造能力已有了很大提高，因此在有條件的地方，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。在超過一定高度后，由于鋼結構質量較小而且較柔，為減小風振而需要采用混凝土材料，鋼骨（鋼管）混凝土，通常作為首選。

另外，許多高層建筑底部幾層柱雖然長細比小于4，但并不一定是短柱。因為確定是不是短柱的參數是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2的柱才是短柱。有專家學者提出現行抗震規范應采用較高軸壓比。但是即使能調整軸壓比限值，柱斷面并不能由于略微增大軸壓比限值而顯著減小。因此在抗震的超高層建筑中采用鋼筋混凝土是否合理值得商榷。

總之，鋼筋混凝土框架結構是我國大量存在的建筑結構形式之一，鋼筋混凝土框架結構的柱端與節點的破壞較為嚴重，其抗震設計中應該鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計，另外，必須滿足“強柱弱梁”“、強剪弱彎”“、強節點”“、強底層柱底”等延性設計原則和有關規定。

5、運用延性設計

結構良好的延性有助于減小地震作用，吸收與耗散地震能量，避免結構倒塌。因此，結構設計應力求避免構件的剪切破壞，爭取更多的構件實現彎曲破壞。始終遵循“強柱弱梁，強煎弱彎、強節點、弱錨固”原則。構件的破壞和退出工作，使整個結構從一種穩定體系過渡到另外一種穩定體系，致使結構的周期發生變化，以避免地震卓越周期長時間持續作用引起的共振效應。

三、結語

總之，高層建筑結構的抗震設計方法和技術是不斷變化和進步的，需要在具體的實踐中對高層建筑所處的地質和環境進行詳細的分析和研究，選用適合的抗震結構，注重建筑結構材料的選擇，減小地震的作用力，增強地震的抵抗力，從而達到高層建筑抗震的目的。

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