高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略

張 翔，鄭一葦

中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610000

1 高層住宅建筑抗震效果影響因素

1.1 材料

材料是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。應用加氣混凝土板等材料，可發揮出其高強度、質地輕的特性，有利于提高建筑結構的強度，同時可明顯減輕總體自重，建筑物綜合使用性能更為優良。在抗震設計中需對材料特性進行對比分析，合理選擇，使其滿足高強度、質地輕的雙重要求。

1.2 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，其重心高度也隨之提高，結構穩定性難以得到保障。從實際情況來看，建筑超高的現象普遍存在，在爆發高強度地震時極容易發生失穩現象，嚴重時將引發建筑整體坍塌，所造成的傷亡不可估量。為創造可觀的建筑使用價值，需在增加建筑高度的同時，避免出現重心過高的情況。

1.3 地基選取

地基具有穩定性是提高建筑抗震性能的必要前提。對于高層住宅建筑，若施工現場的地基具有穩定性與平整性，那么在此條件下建設所得的建筑物整體抗震性能優良。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大打折扣，不利于保證建筑物的穩定性。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基上展開施工建設時，就要做好地基加固工作，使其具有足夠的穩定性。

2 高層住宅建筑結構抗震性能優化

2.1 構建高效的地震作用傳遞路徑

以樓屋蓋梁為例，充分關注水平荷載和重力荷載，構建一條高度暢通且精簡的路徑，使兩者高效傳遞至包含墻、柱在內的各類豎向構件處，優化受力條件。

（1）對于無轉換層的高層建筑，需要充分考慮垂直荷載作用下的軸壓力，應保證該部分力的作用位置恰好位于豎向構件的幾何中心處，據此布置豎向構件，減小偏心距。

（2）在超高層建筑中，需構建具有貫通特性的抗側力結構體系，從而達到傳力直接的目的。抗側力結構的組成方面，以框架、剪力墻、筒體及支撐為核心，輔以其他附屬結構。

（3）選擇抗側力構件時，需密切關注抗側力結構和構件兩部分在延性方面的表現，即不可出現脆性破壞的現象。關于延性的判斷，常引入的是結構頂點的延性系數，具體計算方法如下：

式中：μ為結構頂點延性系數，通常，μ值至少需達到3～4，并根據實際情況靈活增加；Δup為結構頂點屈服位移；Δuy為結構頂點彈塑性位移限值。

2.2 確保抗震構件具有足夠的延性

高層建筑抗震設計中，確保適度的贅余度和內力重分布為關鍵點。在該條件下，若高層建筑遭遇地震，盡管有部分構件受損退出工作，但剩余的各類構件仍能夠用于承擔荷載，此時可規避因局部失穩而導致建筑整體無法正常抗震的現象，提高建筑物的整體抗震性能[1]。

遇地震時，框架、柱頭、柱根等部位均存在較為復雜的受力關系，在外力的作用下易受損，因此在抗震設計工作中需著重考慮此方面的內容。一方面，盡可能控制節點最先破壞的位置，即不應出現在柱節點處，應做到梁端先于柱端破壞，此方式可較好地避免柱節點的破壞作用，以免出現整體結構坍塌的情況。另一方面，對于剪力墻以及框架-剪力墻結構，在設計時需著重控制高度與寬度的比例，即該值需達到2以上。

2.3 設多道抗震防線

框架-剪力墻結構的特點在于可形成多道抗震防線。剪力墻發揮第一道防線的作用，是關鍵的抗側力構件。在剪力墻的設計工作中，數量控制至關重要，需著重考慮其承受的結構底部的地震傾覆力矩，該值不可小于底部總地震傾覆力矩的1/2。此外，在布設剪力墻時，間距不可過大，否則將出現樓板大幅度變形的情況。剪力墻間距取值表如表1所示。

表1 剪力墻間距取值表 單位：m

若剪力墻間的樓面存在較大開洞，則需要適當減小樓、屋蓋的長寬比。剪力墻出現開裂現象后，地震作用重新分配，為滿足穩定性要求，需保證各層框架能夠與墻體保持協同的關系，即兩者共同承受較小的地震剪力。

2.4 確保主體抗側力結構的剛度

主體抗側力結構是整個高層建筑中不可或缺的部分，其應具有足夠的剛度，在對該部分展開抗震設計時，需兼顧水平位移、強度延性多方面要求，合理設定強度，從而保證高層建筑結構安全使用[2]。就實際使用情況來看，高層建筑主體抗側力結構的剛度需遵循適中的原則，即不可過大，通常以略大于規范值或恰好與之相同為宜。

3 住宅高層建筑結構抗震設計要點

高層建筑結構中，若抗震設防水平偏高，雖然可以滿足抗震要求，但容易出現資源浪費、成本增加等問題；若設防水平偏低，雖然可以較大幅度地減少成本，但其抗震性能偏弱，高層建筑使用期間遇地震時易誘發坍塌或其他事故，由此帶來嚴重的經濟損失。因此，在抗震設計時需兼顧多重要求，既要保證高層建筑具有足夠的抗震性能，又要避免出現成本過高的情況。

3.1 建筑設防三水準烈度

（1）水準烈度分類。以多年來我國地震發生概率的統計分析結果為依據，確定設防三水準烈度，具體如下：①第一水準烈度，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，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），50年超越概率為2%～3%的烈度。

（2）水準設計。以前述所提的設防三水準烈度為基準，進一步提出抗震設防的三水準設計準則，具體內容如表2所示。其具體標準如下：①建筑物遭第一水準烈度時，不可產生任何形式的損壞現象，建筑需維持正常使用的狀態，結構狀態則以彈性變形階段為宜；②建筑物遭第二水準烈度時，可以產生一定程度的損壞，但具備維修的可能，即經過維修后其依然可以正常使用，盡管結構進入非彈性變形階段，但其塑性變形仍可得到有效控制，可穩定在某限度以內，震后殘留的永久變形不大[3]；③建筑物遭第三水準烈度時，各部分結構的非彈性變形均處于可控狀態，同時遠遠未達到結構倒塌的臨界變形條件。

表2 抗震三水準設計準則

3.2 層間位移限制

高層建筑的結構特點在于高寬比較大，位移限值受到材料、結構體系等多方面因素的共同影響，因此在基于高層結構的設計工作中應做到統籌兼顧。對于鋼筋混凝土結構，必須合理設計此部分的位移限值，以便提高其穩定性，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，因此在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。層間位移對比如圖1所示。

圖1 層間位移對比圖

4 結束語

綜上所述，高層住宅建筑對于穩定性的要求逐步提高，合理做好結構的優化設計工作至關重要。筆者結合實際抗震設計工作，從場地選擇、結構的配置和優化等多方面入手，總結出了住宅高層建筑結構的抗震設計要點，從根本上提高了建筑的抗震能力，研究成果可為同類工程提供一定的參考。