基礎剛度對于高層建筑結構抗震的影響綜述

王羽鶴

我國建筑業經過多年的發展，為了提高土地的利用率，建筑物的高度在不斷提升，建筑高度增加的同時，地震對其的影響也相應地增大了很多。相比傳統的建筑物，高層建筑的抗震性能成為了其整體設計的重要方面。因此，為了減小地震作用以及地震效應對于高層建筑結構的影響，應當對其基礎和地基進行合理的設計。基礎剛度是高層建筑結構的一大重要屬性，對于其值的設計，我們不可能讓其無限大，并且基礎剛度的退化將導致整體結構剛度退化，給高層建筑結構的整體穩定性帶來許多不利的影響。因此，我們在對高層建筑結構基礎進行設計時需要保證其有合適的剛度，以確保其有足夠剛度的同時也有很好的承載能力以及穩定性。這樣合理的基礎設計不僅能夠提升高層建筑的抗震能力，還能在一定程度上減少成本[1]。

1.基礎剛度對于高層建筑抗震能力的影響

增大基礎的剛度，不僅可以提升高層建筑結構的受力性能，還可以使建筑物的穩定性增大，使高層建筑結構在地震效應下的側向位移量減小。首先，當基礎剛度較弱時，結構的整體性會變差，且其自振頻率也會相應的減小，當地震發生的時候，建筑結構將出現較大的水平位移，且在二階效應的作用下，結構受到的彎矩也會增大，這樣更加不利于建筑結構的受力情況。良好地控制基礎剛度的變化，不僅可以減少建設所需的成本，還可以提高房屋的安全性。其次，如果在建筑結構整體性中考慮基礎剛度的問題，結構構件的受力情況會發生許多改變，當我們對高層建筑模型進行計算的時候，我們可以通過對比得出結構構件受力性能發生變化的位置，并且根據計算數據對于那些受力大，整體薄弱的部位進行加強，這樣可以有效地提高建筑結構整體的抗震性能[2]。

對于高層建筑中的框架結構，我們在充分考慮基礎剛度后，柱底與柱頂截面表現出不同的能力，柱底截面的彎矩相比原先的計算結果會出現減小的現象，但是柱頂截面反而呈現增大的情況，這說明了如果我們采用嵌固端的設計方法會導致底層柱頂截面更加危險，反而柱底更加安全，且隨著基礎剛度取值的變化，這種受力特征表現出來的變化也會更加明顯。因此，在對高層建筑結構進行設計時，應該著重于那些結構趨于更加不穩定的部位，保證整體結構都滿足抗震的性能。

在地震的作用下，框架結構往往會出現水平位移和轉動，且這種變化隨著樓層層數的增高而逐漸增大，即樓層越高，水平位移越大，對于那些采用框架結構的高層建筑而言，限制結構的水平位移是保證結構安全的重要指標之一。因此我們應該對結構的水平位移和轉動進行限制，保證結構不單單滿足位移的要求，還保證了結構有著良好的抗震能力。

2.基礎剛度對于高層建筑側移剛度的影響

在我國高層建筑的發展過程中，雖然建筑建造的體量不斷地加大，但是其剛度卻在不斷地減小。這里說的剛度便是指高層建筑結構的側移剛度。建筑結構的側移剛度指的是建筑結構為了抵抗水平方向作用力帶來的側向位移所需的剛度。高層建筑結構產生的側向位移主要由兩部分組成，頂部的側移值主要由高層建筑結構頂點水平位移及結構頂部附加位移兩部分組成，分別是結構基礎的平移和扭轉；但是這種扭轉變形并不是一定在外力的作用下才會產生，高層建筑結構自身也有產生扭轉變形的可能性[3]。

基礎剛度對于高層建筑結構的側移剛度有著比較大的影響，在進行抗震設計時，當我們考慮結構的整體剛度時，高層建筑結構的側移剛度會出現降低的現象，這就導致整個結構更有可能發生側移，結構頂點的相對側移也會隨之變大。當我們在考慮結構的二階效應時，結構會受到負面的影響。因此在有限基礎剛度的條件下如何有效增大結構的側移剛度是我們應該著重考慮的問題。

2.1 彎曲型結構

彎曲變形結構我們往往考慮的是剪力墻結構，當我們對其有限基礎剛度的影響進行分析之后，會發現此結構的側移剛度出現了減小的現象，這種現象出現的原因是結構的邊界條件逐步弱化，這也就導致了整體結構會更加容易失穩，整體結構便更加容易被破壞。在全面分析條件的基礎上，充分分析基礎剛度的根本影響后，彎曲型剪力墻結構的側移剛度也會逐步呈現減小的現象[4]。

2.2 剪切型結構側移剛度

對于剪切型的結構而言，其失穩通常表現為整體樓層失穩，基礎剛度對剪切型結構底層側移剛度影響更加明顯。在計算假設的相關問題上分析，其結構往往會始終保持在彈性的狀態之下，當我們忽略扭轉效應對其進行分析的時候，我們會發現，一些比較相近的節點位置上平動和轉角呈現出相對一致性的現象。我們在計算的過程中出現基礎剛度趨于一個非常大的值的情況時，這時我們往往可以忽略基礎受到拉梁時所產生的影響，讓基礎剛度處于長期彈性狀態之下。

3.基礎剛度對于高層建筑整體穩定性的影響

當我們考慮到基礎剛度的影響時，高層建筑結構的側移剛度會削弱，相應地，邊界條件也會發生弱化，這便會導致結構整體失去穩定性所需的臨界荷載減小。當我們對基礎剛度的影響進行了大量的分析之后，會發現高層建筑結構的剛重比限值也會出現降低的情況。當我們對具體情況進行比對時，結構側移剛度便會發生逐步降低的現象，在此條件下我們往往需要考慮基礎剛度對于高層建筑結構整體穩定性的不利影響，保證二階效應所帶來的總位移在一個滿足使用條件的范圍之內。對于高層建筑結構的抗震設計方面來說，在考慮基礎剛度的情況下，還需要從宏觀的層面進行分析，我們可以將剪力墻結構進行轉化和代用，將這種結構以懸臂梁的形式表現出來，以此來判斷這種桿件在受彎時，多大的臨界荷載才能夠使得桿件失穩，這樣我們便可以求出相關的臨界荷載的數值。通過以上的計算過程，我們發現在有限基礎剛度的前提下，當結構的受彎部分處于一種倒三角型分布荷載作用下時，會表現出具體的受力以及相應的位移情況。并且結構受到自身重力荷載之外還會受到一些別的荷載，例如水平荷載，當結構在兩者共同作用之下，便會產生相應的位移。這樣系統的分析有利于我們更好地了解基礎剛度對高層建筑抗震穩定性的具體影響，并且有效地對于基礎設計加以改善，來確保高層建筑結構的穩定性，滿足抗震的要求[5-7]。

4.結論

綜上所述，在對基礎剛度的研究中我們發現，若引入基礎剛度便會引起高層建筑結構整體結構剛度的退化，因此我們需要對高層建筑結構上層部分的結構剛度進行適當加強，基礎剛度并不能一味地增大，需要使其在一個合適的區間內，來保證結構滿足我們日常使用的需求以及安全方面的要求。對于隔震結構來說，基礎的平動剛度有所退化，地震作用及其效應會減小，雖然基礎的平動剛度不會對我們整體結構的正常使用產生過大的影響，但是我們仍然需要使基礎的轉動剛度滿足使用要求。

隨著我國城市迅猛發展，高層建筑數量劇增成為必然。高層建筑的特殊性要求其自身在抗震方面有著良好的性能以保證安全，而基礎剛度對于高層建筑結構設計的影響較為復雜，因此要求我們必須將建筑物的基礎剛度作為抗震設計考慮的重要指標之一，本文分析高層建筑結構基礎剛度對抗震性能的影響，從三個方面進行了可行性的論述，希望能夠對最大限度地提高高層建筑的抗震性能提供有益的幫助。