高層混凝土建筑抗震設計探究

劉嘉君

我國處于亞歐板塊和太平洋板塊的交接地點，屬于地震多發(fā)國家。我國很多城市處于地震帶上，發(fā)生地震災害的可能性較高。如果對于高層建筑的抗震結構設計不當，一旦產(chǎn)生地震，便會有損壞情況發(fā)生，更甚者導致整個建筑發(fā)生坍塌，造成的后果不堪設想。唐山大地震和汶川地震就是血淋淋的例子。因此，必須要對高層建筑抗震結構設計予以充分重視，結構設計者在進行高層混凝土建筑結構設計時，必須充分考慮建筑整體的抗震性能，通過科學合理的分析和研究，設計出有效提升建筑物抗震性能的結構，達到“小震不動、中震可修、大震不倒”的效果，更好確保建筑的穩(wěn)定性與安全性。

但在建筑抗震設計實際工作中仍然存在諸多方面問題，因此本文將針對現(xiàn)階段高層混凝土建筑的抗震結構設計中出現(xiàn)的問題進行分析，對正確科學的設計方案進行探究，為相關工作提供參考借鑒。

一、高層混凝土建筑抗震設計存在的問題

（一）建筑場地選址的不正確。隨著我國建筑工程項目的逐年遞增，城市的土地資源變得非常緊缺。因此，有的單位違背建筑物地基應該選擇土壤扎實、牢固以及平坦廣闊的原則，如選擇存在泥石流、滑坡以及處于地震斷裂帶、有軟土或者土壤松散且分布不均勻的場地作為建筑用地，如發(fā)生地震，這種場地上的建筑物最容易出現(xiàn)下陷和崩塌，建筑物的主體結構會瞬間被破壞，給人民群眾生命和財產(chǎn)帶來毀滅性災難。

（二） 不注重建筑體型對稱及規(guī)則性設計問題。建筑體型包括建筑的平面形狀和主體的空間形狀的設計。震害表明，許多平面形狀復雜，如平面上的外凸和凹進、側翼的過多伸懸、不對稱的側翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。唐山地震就有不少這樣的震例。平面形狀簡單規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的破壞，有的甚至保持完好無損。沿高度立體空間形狀上的復雜和不規(guī)則在地震時都會造成震害。特別是在建筑結構剛度發(fā)生突變的部位更易產(chǎn)生破壞。

（三）不注重結構的延性設計。地震發(fā)生時，建筑物結構的主體框架是首當其沖受到嚴重破壞的，緊接著就是建筑物的主要支柱受力后會發(fā)生嚴重變形，由于建筑物本身的抗震強度主要依托延性結構的抗震性能，延性能力越強，抗震效果越好，所以工程技術人員在建筑物結構設計時，要充分考慮采取怎樣措施來提高建筑物的延性。但是在實踐操作工作過程中，建筑物的延性構件設計時經(jīng)常會出現(xiàn)一些不盡人意的地方，如短柱等，如果沒有合理地解決這些問題，導致地震產(chǎn)生的破壞還沒有傳到延性構件就會消失，失去應有保護作用，也就無法保證建筑物對地震能量的消耗，從而對建筑物造成破壞。

二、改善建筑抗震設計問題的有效措施

筆者結合自身多年從事抗震設計工作的實踐認為：應該正確認識當前建筑物抗震設計過程中存在的具體問題，采取選擇好建筑地基、使用合理的建筑材料以及設置多道抗震防線等具體措施來有效提高建筑物的抗震功能。

（一）進行正確選址。地震對建筑的破壞是從地基開始。因此在進行建筑場地選址的時候，進行地震災害和環(huán)境評估工作十分重要，尤其對于建筑場地存在泥石流、滑坡以及處于地震斷裂帶等自然現(xiàn)象和環(huán)境要著力避免，要盡量避開地質(zhì)松軟，結構不穩(wěn)定的場地和地基。不應在風險區(qū)域上施工建造高層建筑。如果在建筑過程中實在無法避開濕陷性、液化性、軟弱性等特殊土壤和土層，需提前按照地基處理技術規(guī)程的相關要求對地基進行合理的加固和設計。對建筑物地下的土層分布、厚度、種類和性狀等狀況務必要探查清楚，做好高層建筑的地質(zhì)勘查報告工作，經(jīng)過地基處理后的高層建筑，還應對基礎和上部結構的整體性進行加強和鞏固。

（二）重視建筑方案的結構抗震設計。建筑方案設計是否考慮抗震要求，從總體上起著直接的控制主導作用。結構設計很難對建筑設計有較大的修改。所以在建筑方案、初步設計階段中結構設計者就應參與考慮抗震的要求，對結構構件系統(tǒng)進行合理的布置，使建筑結構的質(zhì)量和剛度分布均勻協(xié)調(diào)，使建筑結構的抗震性能和抗震承載力得到較大的改善和提高;如果建筑方案設計沒有考慮抗震要求，那可能就會給結構的抗震設計帶來較多困難，使結構的抗震布置和設計受到建筑布置的限制，甚至造成設計的不合理。有時為了提高結構構件的抗震承載力，不得不增大構件的截面或配筋用量，造成不必要的投資浪費。由此可見，建筑方案設計是否考慮抗震要求，對整個建筑起著很重要的作用。

（三）進行合理的結構設計。在進行結構設計時，應遵循以下設計要點：一是結構對稱性設計。非對稱的建筑結構因為重量、重心偏離等因素，在地震作用力的影響下會產(chǎn)生質(zhì)量與剛度不對稱的扭轉(zhuǎn)、震動等，極易導致建筑物遭到破壞，抗震性能大為下降。為避免出現(xiàn)此類現(xiàn)象，建筑物設計應盡量使用對稱結構。二是平面結構設計。事實證明，受到地震作用后，異形結構容易發(fā)生較大位移現(xiàn)象，所以盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體型，盡可能少做不對稱的側翼和過長的伸翼，盡量不要選擇L形、十字形等結構。必要時，針對較為復雜或者平立面不規(guī)則較突出的高程混凝土建筑，應考慮增加防震縫的設計。一般情況下，應盡可能地使平面和空間的形狀簡潔、規(guī)則，高層建筑的平面結構設計以方形、矩形和圓形最好，一方面以簡單實用為原則，另一方面也可以讓地震力的傳遞更加明確。三是豎向結構設計。高層建筑的豎向結構設計應重視均勻性，剛度均勻變化，防止結構剛度和承載力突變。

（四）設置多道抗震防線。設置出多道的防震線就是指在抗震結構的體系，受地震作用影響，一些延性好的構件在起初要達到屈服，扮演第一道抗震防線的作用，對于其他的部件是需要在第一道抗震防線屈服之后才能夠進行屈服的，這樣就能夠形成第二、第三等多道抗震防線，與此同時，這樣的結構體系為保證結構的抗震安全發(fā)揮重要的作用和功效。

（五）充分運用隔震等高延性結構抗震。高延性結構可有效吸收地震能力，減輕地震對高層建筑的破壞。目前隨著建筑抗震設計技術的不斷發(fā)展，隔震措施越來越多被設計工作者在高烈度地區(qū)開始使用，如阻尼器等，消耗地震產(chǎn)生時釋放的作用力，大大的削弱了地震造成的破壞。以此提高高層建筑的抗震能力，確保高層建筑可接受最大限度的變形而不至于發(fā)生坍塌。

（六）提高短柱抗震性能。通常情況下，高層混凝土建筑的短柱的抗剪能力，要弱于其抗彎性能。這造成了當?shù)卣鸢l(fā)生時，建筑物收到地震力的作用，短柱還沒有展現(xiàn)其抗彎性能，就已經(jīng)因為承受的剪切力高于其承受能力，而產(chǎn)生破壞，最終導致高層混凝土建筑產(chǎn)生損壞。因此，在進行相關結構設計時，必須采取有效的措施確保短柱的抗剪與抗彎性能向匹配，確保其延性要求，這樣就可以大幅度增強其抗震性能，確保建筑結構的安全。改善短柱抗震性能措施可以有以下幾種（1）可適當加大混凝土的強度，從而減小軸壓比，減小柱子截面尺寸，提高剪跨比，使短柱變?yōu)殚L柱。（2）選用螺旋復合箍筋。充分考慮強剪弱彎以及剪壓比進行框架柱設計，保持其抗剪能力，在強柱弱梁限值標準下，設計柱子端部的抗彎能力。強柱弱梁發(fā)生強剪弱彎過程中的短柱，剪切性破壞不會產(chǎn)生，通過復合螺旋箍筋，能夠使柱子抗沖剪能力得到進一步增強，增加短柱抗震能力。（3）選用分體柱。相較于抗剪性能，在抗彎性上短柱的能力更強，但是地震發(fā)生時，通常抗彎能力尚未出現(xiàn)之時，地震產(chǎn)生的剪切作用已經(jīng)形成很大破壞。所以對于短柱抗彎能力可以合適的減少，確保其保持與抗剪強度相一致，這樣才能使地震發(fā)生時，短柱能夠更好的保證抗彎曲屈服作用。通常可采用分體柱進行設計，利用分體柱，雖然不能將柱子的抗剪性能增強，然而在使其抗彎能力降低的同時，促進柱子抗變形能力不斷增強，使短柱轉(zhuǎn)變?yōu)殚L柱，增強了短柱的抗震效果。

（七）加強建筑物內(nèi)部的薄弱部分。地震來臨時會產(chǎn)生較大作用力，建筑結構的設計應具備一定的變形能力，用來削減地震的作用力，對于建筑房屋中薄弱環(huán)節(jié)的抗震能力更要特別注意加強，避免在地震作用下過早的屈服產(chǎn)生較大變形損壞而影響整體建筑抗震性能。在設計過程中，對于那些薄弱部位應該乘以內(nèi)力增大系數(shù)，要及時對薄弱部分進行加強，采取有效措施增強其強度和剛度，這樣就可以極大提高其承載力。

三、結語

綜上所述，高層混凝土建筑結構的安全和穩(wěn)定，關系著城市居民的自身安全。通過對其抗震結構的優(yōu)化設計，可以大大的提升人民的生活質(zhì)量，減少地震發(fā)生時所造成的損失。相關的設計人員應加強對抗震結構的學習和了解，通過嚴謹?shù)挠嬎愫涂茖W的合理的分析，設計出符合抗震要求的高層混凝土建筑結構。