高層建筑抗震設計分析

姜洋

（福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院）

1 高層建筑抗震設計分析

抗震設計理念在建筑設計過程中尤為重要。高層建筑中的抗震措施、抗震計算均屬于抗震設計中需要分析的內(nèi)容。建筑設計人員在對高層建筑進行抗震設計時，必須考慮各種地震過程中不確定因素，相關建筑設計人員要全面掌握抗震結構原理與建筑材料性能，在此基礎上利用相關的理論知識對建筑結構進行綜合設計,以此確保抗震性能良好。

在鋼筋混凝土主體結構設計中，抗震設計的重要性不言而喻。在設計初期階段，要考慮建筑物結構類型、建筑物高度、抗震設防類別、地震烈度分類等因素，從而選擇與之相適應的抗震等級，并且必須與相應的構造要求相匹配。更值得一提的是，在確定鋼筋混凝土主體構件抗震等級時，應當滿足如下要求：如果是框架剪力墻結構，在水平地震力作用下，底部承擔的傾覆力矩/總傾覆力矩≥50%，則抗震等級宜按照框架確定；當建筑物有較大裙房時，并且與主體結構相連，抗震等級需要按照裙房確定，除此之外，裙房的抗震等級≥主樓的抗震等級；若是二者不相連，則抗震等級可直接按照裙房的確定；當主體結構的嵌固部位為地下室的頂板時，地下一層的抗震等級可以與主體結構相同。

鋼筋混凝土結構的主體設計工作不僅復雜而且系統(tǒng)，由于其中設計的知識點繁多且冗雜，每一個環(huán)節(jié)都必須細致且謹慎，因為一旦一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響整體建筑的安全性與穩(wěn)定性。因此在實際工程中，相關結構設計人員應當熟悉掌握各種設計要點，并合理運用，最終才能保證滿足現(xiàn)行規(guī)范的設計要求。

2 高層建筑設計原則

只有科學、真實、全面地考量影響高層建筑抗震效果的因素，設計師才能夠針對性地對高層建筑進行抗震設計，才能保證其穩(wěn)定的抗震效果。

2.1 規(guī)整性原則

在結構設計初步階段，建筑設計人員需先計算建筑物抗側力性能，更合理的結構抗側力體系，會使建筑結構受力更均勻，建筑物的抗震性能更穩(wěn)定。同時要保證結構構件強度變化均勻。考慮以上因素，就要保證建筑物造型平面立面盡量對稱。此外，建筑結構的抗震設計要符合建筑物所在地區(qū)的震級要求。

2.2 剛度原則

地震等次生災害來臨時，建筑物受到外力的作用，要有合理的剛度來保證建筑結構滿足抗震要求。如果建筑物剛度不符合規(guī)范要求,建筑會受到嚴重的損壞。但如果剛度高于規(guī)范要求，建筑抗震構件因受到不均勻地震作用而造成結構構件斷裂，很容易造成建筑物失穩(wěn)，因而在設計工作中要做到建筑構件剛柔結合，避免建筑物在地震力的作用下因脆性破壞而瞬間坍塌。

2.3 科學性原則

建筑物抗震效果很大程度取決于結構抗震設計，建筑物抗震設計必須要遵守科學性和合理性，才能使建筑物抗震性能既經(jīng)濟又可靠。建筑物結構宜簡單規(guī)整，如果過于復雜，則荷載分布不均勻并且集中荷載相對較大，地震會對建筑結構造成更大的破壞。所以，建筑物在進行平面設計時，要盡量剛度、質量分布均勻，從而提高建筑物的抗震效果。在結構設計時，要考量建筑物的鞭梢效應。建筑物超出屋面的高度不宜過高，要滿足設計規(guī)范要求。如果平面不規(guī)則設計不可避免，則要著重計算離建筑物剛心較遠處剪力墻的設計參數(shù)。

3 設計策略分析

3.1 建筑物自身結構設計

首先要選擇合理的結構方案體系，在高層建筑設計中選擇科學合理的抗震措施,建筑物的抗震能力會更加的優(yōu)越。豎直結構的垂直方向重力可以使橫向壓應力穩(wěn)定。要保證其豎向構件有著清晰的傳力途經(jīng)，保證其屬相構件的承載力和穩(wěn)定性。

在地震烈度較高的地區(qū)，結構設計師在選擇建筑材料和結構體系上會格外地謹慎。在我國，高層建筑和超高層建筑主要應用三種結構體系，分別是框筒結構、筒中簡結構、框架支撐結構。上個世紀80 年代，磚混結構在我國應用非常廣泛，隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，鋼筋混凝土結構逐漸替代了磚混結構，但這兩種結構不適合應用在超高層建筑上，而且在大震作用下，無法抵抗。在我國高層建筑結構中，設計多采用框架-核心筒體系，這種結構體系經(jīng)濟合理，不僅用鋼量相對節(jié)省，而且梁柱截面相對較小，節(jié)省材料，所以被建設單位甲方所廣泛采用。對于混合結構，地震剪力大部分作用在鋼筋混凝土結構的內(nèi)筒上，主側移以彎曲變形為主，因為鋼框架構件的剛度較小，所以其側移較大，因此混合結構位移不得超過鋼筋混凝土結構構件的位移限值。最常用的解決辦法就是增加混凝土內(nèi)筒的剛度以及設置懸臂的桁架結構體系，這樣剛度才可以滿足規(guī)范限值。轉換層要設置在結構體系剛度或柱距發(fā)生明顯變化的部位。但設置加強層和轉換層會大大提高本層結構剛度，造成剛度突變，從而導致與加強層、轉換層相連接的框架柱剪力突變。而強柱弱梁的原則，在加強層伸臂構件及轉換層構件與外部框柱連接位置則無法滿足。因此，在設計最初階段，必須科學、合理、謹慎地選擇結構形式體系，盡量有效降低轉換層及加強層剛度，比如采用鋼結構或鋼筋混凝土混合結構的伸臂構件及轉換構件，來減少剛度突變的不利影響。當混合結構高度較高時，因為鋼框架材質自重較輕，且柔性較大，為了使風振作用的不利影響減弱，多采用鋼骨混凝土和鋼管混凝土構件。

近年，隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，耗能減震技術逐漸運用在高層建筑中，在設計時采用高延性結構構件，適度結構的剛度，在地震發(fā)生時，可以使結構構件進人高延性的塑性狀態(tài)，大量的吸收地震能量，從而減少對建筑物有害的地震反應，削弱地震的破壞。延性構件在大震時可以吸收較多的地震能量，并且自身可承受較大的結構變形，因此這種結構體系的應用越來越廣泛。2000 年以后，人們對防屈曲耗能支撐及隔震支座的應用進行了大量廣泛和深入的研究，這些耗能構件可以吸收大量的地震能量，從而減小地震反應對建筑物重要構件的破壞。其中隔震支座以基礎隔震應用最為廣泛。防屈曲耗能支撐的橫縱向構造圖如圖1、圖2 所示。基礎隔震示意圖如圖3 所示。

圖1 防屈曲耗能支撐的橫向構造

圖2 防屈曲耗能支撐的縱向構成

圖3 基礎隔震結構示意圖

3.2 建造材料

建筑物抗震效果，建筑材料在很大程度上會影響建筑物抗震效果。而抗震設計在材料上的選擇需要綜合考慮選成本、剛度、延性等因素。常用建筑結構的抗震設計要求為：

⑴為滿足抗震設計的要求，砌體結構需要按照規(guī)范規(guī)定設置保持結構穩(wěn)定的圈梁與構造柱；

⑵鋼筋混凝土結構要對抗震結構構件的截面尺寸有合理的選擇，并且保證相應的配筋率,不能少筋多筋，使結構發(fā)生的剪切破壞與脆性破壞；

⑶大跨度結構下選擇預應力混凝土構件應嚴格按規(guī)范要求進行計算，并按計算結果配置預應力鋼筋。

3.2.1 鋼筋

鋼筋混凝土結構中，應該遵循鋼筋自身的性能來選取鋼筋的型號和強度等級，縱向受力鋼筋選擇型號HRB400 或者HRB500；在受力構件比如而梁、柱、斜撐中，縱向受力鋼筋選用HRBF400 或者HRBF500；若需要選取預應力鋼筋，宜選高強度鋼絞線或預應力螺紋鋼筋。HRB系列中的普通熱軋帶肋鋼筋延性良好、可焊接性強、機械連接性能牢固，可使鋼筋混凝土結構主體的強度增強，所以被廣泛采用。而且，為了滿足建筑物抗倒塌設計規(guī)范要求，鋼筋強度標準值的保證率不得低于95%。

3.2.2 混凝土

在鋼筋混凝土結構主體設計中，應當用正方體抗壓強度標準值確定混凝土抗壓強度；建筑物結構的混凝土，強度等級不得低于C15，如果建筑結構所選取的鋼筋強度等級全部≥400MPa 時，所選取的混凝土的強度等級不得低于C25。鋼筋混凝土結構中如有構件承受重中荷載，選取的混凝土強度等級不得低于C30。

3.3 建筑環(huán)境

如果建筑物選址位于地表容易相對錯動地理環(huán)境中，就極易受到山崩或滑坡等次生災害的破壞。結構設計要結合地勘報告謹慎選擇抗震場地，盡量避免選取抗震不利地段，盡量避免軟土地帶。若場地選取不當，會增大建筑物坍塌風險。若無法避讓時，應做好地基加固工作，降低地震對建筑物的破壞。

3.4 設多道抗震防線

在進行高層建筑抗震設計時，要設置多道抗震防線，并且要符合大震不倒、中震可修、小震不壞的抗震設防原則，進而減少高層建筑受地震作用坍塌的情況發(fā)生。剪力墻之間較大洞口的長度與屋蓋的長度比應按照表1 進行。

表1 剪力墻洞口與屋蓋長度比值

4 結構優(yōu)化

結構優(yōu)化設計工作相比結構初設計，更為冗雜系統(tǒng)。每一個建筑物本身都是一個從上到下的完整結構系統(tǒng)。平立面選擇上，要規(guī)整合理簡單，這是優(yōu)化結構設計成功與否的基礎。建筑物造型越復雜，結構抗震設計的建筑成本越高。所以，合理結構體系的選擇，直接影響建筑物的造價成本。比如：因為普通短肢剪力墻的含鋼量較高，設計人員通過選擇合理布置普通剪力墻可以適當降低成本。而穩(wěn)定的基礎形式，不僅能降低基礎造價，而且可以提高上部結構的穩(wěn)定性。結構形式不同，結構優(yōu)化的重點也就不同。例如，剪力墻結構中剪力墻鋼筋量/上部結構鋼筋量＞60%，則結構優(yōu)化要重點考量剪力墻；而框架結構中，梁的鋼筋用量/整體結構中＞55%，所以梁是框架結構中優(yōu)化的重點。

5 結語

隨著社會不斷進步，土木行業(yè)蓬勃發(fā)展，我們更要注意地震對建筑物帶來的影響，要不斷降低地震對建筑物的破壞。這意味著我們要加強建筑物抗震設計，合理選取結構體系，全面考量建筑環(huán)境與建筑材料，設置多道防線來提高建筑物的抗震性能。