高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略

甘昱

（佳兆業集團控股有限公司惠州分公司，廣東惠州516000）

1 引言

針對高層住宅建設結構，合理的抗震設計尤為關鍵，其直接影響建筑結構的施工效果。此時要從建筑結構入手，做好抗震優化設計工作，形成完整的抗震體系，為建筑物的穩定使用提供支持。

2 影響高層住宅建筑抗震效果的因素

2.1 材料

材料是創建建筑實體必不可少的要素，現階段的建筑材料類別及性能各不相同，具備的抗震效果也存在差異。若選擇的是加氣混凝土板等具有高強度且質地輕的材料，則會顯著提高建筑物的強度，明顯減輕總體自重，建筑物綜合使用性能更為優良。對此，在設計過程中應注重對建筑材料的選擇，要求其具備強度高、質量輕的特點。

2.2 高度

現代建筑工程中，高層建筑成為主流趨勢，但在高度增加的同時其重心的高度也隨之提高，結構穩定性難以得到保障[1]。從實際情況來看，建筑超高現象普遍存在，在爆發高強度地震時極易發生失穩現象，嚴重時建筑將整體坍塌，造成嚴重的傷亡事故。為創造可觀的建筑使用價值，需要合理設定建筑高度，避免出現重心過高的情況。

2.3 地基選取

地基是建筑施工的基礎部分，其穩定性也將對建筑的抗震性能帶來影響。對于高層住宅建筑，若地基的穩定性與平整性較強，建設所得的建筑物整體抗震性能則較為優良；若建筑地基性能欠佳，如存在松軟、含水量過高等情況，此時建筑物的抗震性能將被大大削弱。從這一角度來看，需注重對建筑物地基的選擇，若因用地規劃問題而必須在軟土地基上展開施工，則要做好地基加固，使其具有足夠的穩定性。

3 高層住宅建筑結構抗震優化設計的原則

以抗震設計目標為工作導向，結合高層建筑結構的基本特點對其展開抗震優化設計工作，以期提高結構的強度、剛度及延性等方面的性能，改善結構的綜合應用效果。在選擇高層建筑結構體系時，應遵循以下幾點原則。

3.1 合理的地震作用傳遞途徑

在房屋蓋梁結構的抗震設計中，應充分考慮水平荷載和重力荷載的作用，形成一條高效、簡潔的傳力途徑，以便荷載能夠精準傳遞到達各豎向構件，如墻、柱、基礎等。

1）在無轉換層高層建筑中布置豎向構件時，最合理的結構優化選擇是使豎向構件在垂直重力荷載作用下的軸壓力作用于豎向構件的幾何中心，減少偏心距。

2）超高層建筑結構中，應盡可能地保證抗側力結構體系達到貫通的狀態，以滿足直接傳力的要求。常見的抗側力結構有框架、剪力墻、支撐等，若因設計需求而導致其沿豎向存在變化，應保證該變化具有均勻性與連續性，以改善結構的受力條件。

3）選擇抗側力構件時，應保證結構不會出現脆性破壞現象。為量化分析結構的延性，可采用結構頂點的延性系數（μ）進行表征，其計算公式為：

式中，Δup為結構頂點屈服位移，m；Δuy為結構頂點彈塑性位移限值。根據工程經驗，在抗震結構的設計中，μ 值至少需達到3～4。

3.2 抗震構件具有必要的延性

具有必要的贅余度和內力重分布是高層建筑抗震設計的一個重要原則。原因是：當地震中出現部分構件受損退出工作時，剩余構件仍能承受全部荷載，從而避免因部分構件喪失功能導致整個建筑失去抗震能力，提高了建筑物的整體抗震性能[2]。因此，發生地震時，框架、框架-剪力墻結構中的梁端、柱頭、柱根部應力最復雜最集中，是最容易受到破壞的部位，抗震設計時，應盡量讓節點的破壞先出現在梁端而不是柱節點處，即梁端先于柱端破壞，避免因柱節點破壞引起結構整體坍塌。其次，在框架-剪力墻結構和剪力墻結構中，剪力墻各墻段的高寬比應大于2。

3.3 形成多道抗震防線

在設計框架-剪力墻結構時，需要保證其具有多道抗震防線，切實提高結構的抗震性能。剪力墻除了作為抗側力構件使用外，還應發揮出第一道抗震防線的作用，對此，須合理控制剪力墻的數量，重點考慮其承受結構底部地震傾覆力矩，要求該值至少達到底部總地震傾覆力矩的1/2。此外，避免剪力墻間距過大的情況，否則會導致樓板在平面內出現大幅度的變形，具體的取值標準如表1 所示。根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范（附條文說明）（2016 年版）》，表1 中，B 為屋蓋的長寬比，每組數據取較小值。

表l 剪力墻間距取值表

當剪力墻之間的樓面有較大開洞時，應當減小樓與屋蓋的長寬比。除此之外，剪力墻在開裂后將伴有地震作用重分配的現象，為在全新的環境中有效發揮作用，任意一層框架部分按框架和墻協同工作分配的地震剪力不應小于結構底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5 倍或二者的較小值。

3.4 保證剛度滿足要求

在主體抗側力結構的力學性能指標中，剛度為關鍵內容，為確保該剛度值的合理性，需充分考慮水平位移、穩定性及強度延性層面的具體要求，合理設定剛度控制值，以保證建筑結構可以安全使用。在設計工作中不可過度加大結構的剛度，滿足和略大于規范限值即可。

4 高層住宅建筑結構抗震設計要點

對某高層建筑而言，如果在建筑設計中將抗震設防水平定得太高，會造成建筑材料增加、浪費資源、建筑成本大幅度上升；設防水平定得過低，建筑成本會比較低，導致建筑抗震性能較弱，一旦發生地震，建筑物破壞會更巨大或者出現坍塌，導致經濟損失更嚴重。考慮二者兼顧，高層建筑最優設防烈度的抗震結構優化設計才是最經濟合理的。

4.1 建筑設防三水準烈度

4.1.1 水準烈度分類

設防三水準烈度的確定主要是根據多年來我國地震發生概率的統計分析而得出的，分3 個等級：

1）第一水準烈度：是50 年內，超越概率為63%的地震烈度為眾值烈度；

2）第二水準烈度：是50 年超越概率為10%的烈度；

3）第三水準烈度（即罕遇地震的概率水準），是50 年超越概率為2%～3%的烈度。

4.1.2 水準設計

根據設防三水準烈度，從而對建筑的抗震設防提出3 個水準的要求，其具體標準是：

1）建筑物遭遇第一水準烈度時，不可產生任何程度的損害現象，建筑物需滿足各項使用需求，結構受力條件應維持在彈性變形狀態。

2）建筑物遭遇第二水準烈度時，允許出現一定程度的損壞，但修繕后可正常使用。盡管此時的結構處于非彈性變形狀態，但無明顯的彈塑性變形，該值能夠得到有效控制，震后殘留的永久變形量無明顯偏大的問題。

3）建筑物遭遇第三水準烈度時，各部分結構均處于非彈性變形狀態，要求其始終具有可控性，未達到結構倒塌的臨界變形值，換而言之，不會發生結構倒塌現象。

表2 為抗震三水準設計準則。

表2 抗震三水準設計準則

Il、Id、Iu分別代表小震、中震和大震。根據抗震設計規范規定，定義小震Il=Id-l.55；對于大震，當Id=V1 度時，Iu為Ⅶ度強；當Id=Ⅶ度時，Iu為Ⅷ度強；當Id=Ⅷ度時，Il為Ⅸ度弱；當Id=IX度時，Iu為Ⅸ度強。

4.2 層間位移限制

高層建筑的結構特點在于高寬比較大的，位移限值則受到材料、結構體系等多方面因素的共同影響，所以，在高層結構的設計工作中，應做到統籌兼顧。必須合理設計鋼筋混凝土結構的位移限值，以便提高穩定性，確保其功能可正常使用。高層建筑更容易受到地震的影響，此情況下將伴隨更明顯的層間位移現象，因此，抗震體系設計時，需加強對層間位移的限制，避免在地震時出現大幅度位移的問題。

5 結語

綜上所述，在高層住宅建筑規模逐步擴大的背景下，加強對結構的優化設計極具必要性。本文結合實際工作，從場地選擇、結構配置和優化等多方面入手，提出從根本上提高建筑抗震能力的措施，為同類工程提供參考和指導。