探究高層建筑結構抗震設計的方法

王喬

摘 要：抗震設計是高層建筑結構設計的重點，對于保護建筑中居民在遇到地震災害時生命及財產的安全有著重要的意義。文章主要從六個方面，對高層建筑結構抗震設計的方法進行探討與研究，以供同行參考。

關鍵詞：高層建筑；結構抗震設計

近些年，我國各地地震頻發，因地震而導致的建筑物（尤以高層建筑為甚）倒塌等災害屢見不鮮（尤以高層建筑為甚），對人們的生命及財產安全造成了嚴重的損害；與此同時，我國高層建筑的發展速度驚人，其結構又比較復雜，因此，我們有必要對高層建筑結構抗震設計進行深入研究。下面，我們就高層建筑結構抗震設計的方法進行探討與研究。

1 選擇合適的地基

地震對于建筑物的破壞程度，除了與地震等級有關外，還包括建筑物與震中距離、所處地基的土壤、震源深淺程度等有直接的關系。因此，在高層建筑的選址過程中，要根據工程的實際需要，對周邊地區的地震活動情況以及地質情況進行科學、充分的了解和分析，對該地的地震設計等級進行評估，以此規避風險。高層建筑的地基應盡量選擇巖石或具有較高密實度的基土，以減少地震能量的輸入，達到降低地震災害程度的目的。若實在無法避開，可采取相應的措施，對其進行加固和改造，以使其滿足高層建筑的抗震需求。

此外，由于埋深基礎周圍的土壤有被動土壓力，能夠抵抗高層建筑因受水平荷載而造成的滑移和傾覆，為保證高層建筑的穩定性，通常要求基礎要有一定的埋深。比如，天然地基的基礎埋深需達到建筑高度的1/5，樁基基礎埋深需達到建筑高度的1/18。

2 重視建筑結構的規則性

歷史上，由于建筑結構的不規則性對抗震效果產生消極影響的例子，鮮有發生。所以，在高層建筑結構抗震設計過程中，應避免外形嚴重不規則的設計方案。一個合理的結構，其平面布置應當滿足以下幾點要求：（1）平面規則、對稱、不偏心；（2）長度要適當，不可過長；（3）細腰形或角部重疊的不可采用。其豎向布置應當滿足以下幾點要求：（1）高寬比要在5-6以下；（2）體形應規則，避免過分內凹或外凸。對于無法避免的特別不規則的結構，應用大震作用進行結構易損部位（薄弱層）的塑性變形驗算。

3 選擇合適的結構體系

高層建筑的抗震設計原則是“小震（烈度約為5.45度）不壞、中震（烈度為7度）可修、大震（烈度為8度）不倒”，這就要求建筑結構必須要具備一定的承載力、剛度和延性。在我國，高層建筑的結構體系普遍采用框架結構、剪力墻結構和框架剪力墻結構三種。其中，框架結構適用于一般高度的高層建筑；剪力墻結構適用于高層住宅；框架剪力墻結構則適用于辦公樓及綜合樓。

值得一提的是，通常人們都將“剪力墻”稱為“防震墻”，這是由于剪力墻結構的主要承重構件采用的是鋼筋混凝土墻板，而非框架結構中的梁柱，它對于控制因地震引起的水平剪力具有較好的作用。該體系的強度和剛度都比較高，延性也不錯，傳力均勻直接，對提高建筑的抗震性和安全性都有較大幫助，且從日常居住的角度來看，也是比較舒適的，比較適合高層住宅使用。

框架-剪力墻結構對于承受地震引起的水平剪力時，通過具有足夠強度的樓板和連梁組成協同合作的結構體系，能夠起到較好的抗震效果。在這里，剪力墻的高寬比要大于2，以使其在承受水平剪力時呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產生在墻體的底部；連梁的塑性屈服盡量產生在梁端，且具備足夠的變形能力，保證在墻段發揮抗震性能前的有效性。

4 設置多道抗震防線

一個好的抗震結構體系應當由兩個及兩個以上且延性較好的分體系組成，這是因為地震發生時，普遍帶有余震，若只有一道防線，難以避免因某一結構損傷而造成整個結構坍塌。因此，在構建抗震結構體系時，首先要有最大可能數量的內外部冗余度，其次要建立一套分布完整的屈服體系，最后該體系的主要耗能構件必須要有足夠的剛度和較高的延性，以保證建筑物在遭受地震災害時，第一道防線因強烈的地震作用而崩潰的情況下，第二道、第三道防線能夠有效地抵擋住后續地震波的沖擊。

5 使用隔震和消能減震設計

在隔震和消能減震設計方面，除了前面提過的選擇密實度高的地基外，還可采取以下幾點措施。首先，在結構構件材料的選擇上，要選擇延性好的，以消耗地震能量，保證建筑物在地震作用下不倒塌；其次還可根據建筑的實際需求，設計適當的隔震系數，在上部結構與基礎之間設置某種隔震裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，從而達到減小上部結構振動的目的，主要的基礎隔震類型有疊層橡膠支座隔震、摩擦滑移隔震、滾動隔震、支承式擺動隔震、混合隔震等；此外，還可在結構的某些部位附加消能裝置或子結構系統，或對結構自身的某些構件作構造上的處理以改變結構體系的動力特性。目前常用的消能減震裝置有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、鉛擠壓阻尼器、黏彈性阻尼器、黏性液體阻尼器等。

6 加強薄弱環節設計

“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”是我們在結構設計過程中始終要遵循的原則之一，這就要求我們要加強對薄弱環節的設計。在設計的過程中要注意以下幾點：（1）有目的性地控制薄弱部位，確保其在地震作用中，既有足夠的變形能力，又不發生位移；（2）要對構件的實際承載力進行分析，以此判斷薄弱層的基礎是否滿足抗震要求；（3）確保薄弱部位的實際承載力與設計彈性受力比保持在一個相對穩定的變化范圍內；（4）注意協調結構的整體剛度和承載力，避免局部過強。

7 結語

隨著地震事件的不斷發生及我國高層建筑的快速發展，高層建筑結構抗震性能越來越為人們所重視和關注。在結構抗震設計過程中，首先要選擇合適的地基，選用外形規則、對稱、不偏心的設計方案；除此之外，還要根據建筑需要，選擇適合的結構體系、設置多道抗震防線、采用隔震和消能減震設計、并加強對薄弱環節設計。通過以上六個方法，確保高層建筑結構抗震設計實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目標，保護人們的生命財產安全。

參考文獻

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