高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略研究

文／凌園園 中聯西北工程設計研究院有限公司 陜西西安 710076

引言：

隨著社會的高速發展和經濟的快速增長,人們對建筑工程行業的要求也日益提高。我國屬于地震頻發國,地震有著極強的突發性、隨機性、不可預估性,給人們的生命財產和安全造成了巨大的威脅。一旦發生地震,其造成的損失是不可估量的。對于地震,有效預防的效果和意義遠遠大于震后重建。當前,每個國家都在不斷改進建筑物的結構設計,對高層住宅建筑中的抗震設計進行優化是必不可少且行之有效的途徑。提升高層住宅建筑的抗震性能能夠帶來許多益處,不但能大大提升建筑物的抗震水平,還能最大限度地保證公民的生命財產安全。

1、高層住宅建筑抗震結構設計原則

1.1 結構簡單化

高層住宅建筑工程的結構設計對整體性能至關重要。在設計時,設計人員如果沒有科學依據且不對工程項目的整體布局進行研判,就會導致結構設計不合理等問題,給建筑項目帶來一定的隱患——有時輕微震動也會造成嚴重后果。多種多樣的地形地貌地質和變化莫測的自然環境都會對建筑工程產生不同程度的影響。如果建筑工程的結構設計不能解決這些問題,無法與周圍的客觀環境達到平衡,不僅會導致抗震性能低下,而且會極大地縮減建筑的使用壽命。因此,高層住宅建筑工程中的結構設計至關重要。將結構設計進行簡單化處理,能有效提高建筑物的穩固性和安全功能,也能更精準地測算出建筑物倒塌的后果,提高抗震設計的精準性。因此,結構簡單化是設計人員需要遵守的設計原則之一。

1.2 設計科學合理化

為有效提升建筑物的抗震能力,設計人員應時刻牢記堅持科學合理化的設計理念。設計工作初始階段,設計人員要對建筑物周邊的情況展開詳細而深入的調研,經調研結果分析后開展設計工作。也就是說,設計人員應從大局著眼,保證整個建筑設計的完善與合理性,又需兼顧細節,全面提高建筑物的抗震防震效果。

1.3 結構適用性原則

我國經濟飛速發展，城鎮化進程不斷加快，建筑工程的規模也在這樣的趨勢下逐漸高層化，如此一來人口的密度變得越來越大，一旦出現地震等災害就會造成非常巨大的損失。抗震設計已經成為國內建筑結構設計中意義重大的一個環節，尤其是針對高層住宅建筑的設計，更需要把抗震的問題擺在所有問題的前面來處理。“小震不壞，中震能修，大震不倒”是我國高層住宅建筑結構設計的基本要求，結合不同地區的地質特點和建筑物高度類型等基本要素，在盡量降低成本的基礎上強化抗震效果。對于板塊交接、地震頻發的地區，在建筑物設計的過程中應該盡可能設置抗震的多道防線。例如，利用框架剪力墻結構在地震發生時作為抗震的第一道防線。因為剪力墻的側向有較強的剛度，能夠對建筑起到最大的保護，框架結構在剪力墻的基礎上能夠削弱地震對建筑結構的影響，起到“卸力”的效果。在目前應用的高層住宅建筑抗震體系中，核心結構和框架結構應用得較多，針對中大型地震可以降低房屋坍塌的幾率，是抗震設計的精髓。

1.4 結構體系清晰、平面立面設計簡單

結構體系清晰、平面立面設計簡單,是設計師在設計高層住宅建筑建筑物的防震抗震結構時一定要遵循的原則。設計方案要確保整個結構框架的科學合理——平面結構要平直順滑,且應規避轉角處有較大突變的情形；每個橫梁、立柱受力均勻；建筑物各個主軸的動力方向保持一致。簡潔的結構更容易看出設計中抗震最薄弱之處,針對此處采取有效的改進措施,有利于最大化地發揮建筑物的抗震功能。

2、高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略研究

2.1 更新設計理念，加大抗震結構設計重視力度

在高層住宅建筑結構設計及抗震結構設計中，最為關鍵的影響因素就是設計人員，如果設計人員不具備專業能力，不具備明確的抗震理念，在設計中很難將抗震與建筑結構融合起來，這樣在地震災害發生時，就會因為抵抗能力不足而出現各種問題，威脅建筑及人們的安全。為此，設計人員需不斷提高自身的專業能力和職業素養，根據建筑行業發展趨勢做好理念的更新和優化，加大對建筑抗震功能的重視力度，采取科學有效措施完成抗震設計，確保建筑結構安全。高層住宅建筑具有規模大、工期長、設計精準度高等特點，故而設計人員在處理時應做到全面分析和考量，制定針對性的設計方案，更好的指導施工作業的開展。抗震結構設計作為其中較為重要的一環，設計人員應加大對其重視力度，轉變傳統設計思想，注重數據資料的收集和處理，完善設計內容，增加結構強度，進而減少地震災害帶來的破壞，保障工程的整體效果。再者，還應該充分利用網絡資源對抗震結構設計進行深入分析和探討，了解地震帶分布特點，掌握板塊運動規律，不斷完善抗震結構設計內容，符合高層住宅建筑結構設計的相關要求，提高建筑整體水平，延長建筑使用壽命。設計完成后，還需開展專項評估和檢測，確保抗震設計符合工程的建設要求。抗震結構的不同其產生的作用也存在較大差異，設計人員應重視這一點，并選擇合適的結構種類，確保最終設計的合理性與科學性。

2.2 抗震設計以建筑結構功能為基準

當地震突發時,震源處會聚集很強大的震波。如果建筑物距離震源很近,那么震源波對建筑物的沖擊和危害也是巨大的。因此,如果以歷史數據中震級最高的地震為參照,如何將震源波對建筑的沖擊降至最小、如何將地震對建筑內部結構的破壞降至最低,是抗震設計人員要認真思考的問題。需要注意的是,建筑物的底部結構需具備更高的抗震性能,這是為了確保在大地震過后建筑物結構可以在安全的區間范圍內維持穩定。另外,風壓強、降雨等自然因素也會對高層住宅建筑結構的穩固性、安全性、耐久性造成不同程度的影響與破壞。只有綜合考慮多種因素,全面分析,才能設計出抗震能力符合標準的建筑。常規的鋼筋混凝土結構對混凝土的構造尺寸是有詳細的要求與說明的,設計人員應選擇較小的配筋率滿足建筑結構的抗震需要。除了根據規定限制建筑物層高和層數外,對建筑橫縱墻中的鋼筋混凝土也要設計出能滿足實際使用需要的防震縫。為提升建筑結構的承載能力,設計師將屋頂的樓梯、電梯外延至樓層頂部,且與圈梁相連接,將整個建筑的主體結構框架與重點部分相融合,從而充分體現設計的獨到之處。

2.3 優化高強高性能混凝土材料

混凝土是當前常見的建筑材料，主要是指利用凝膠材料將集料膠結成整體的工程復合材料，廣泛應用于各類建筑施工中。以下主要對高強高性能混凝土高層住宅建筑結構的整體設計思路、結構體系性能設計進行論述。就傳統的混凝土設計構件而言，隨著人們對建筑抗震要求的提升，以及相關指標要求的進一步明確與細化，傳統的混凝土設計構件已無法滿足相關規范對建筑結構的變形能力和高強材料延性的要求。在混凝土構件設計中加入“鋼”材料，利用高強高性能混凝土-鋼組合結構體系提升其變形能力和構件的延性。與其他材料相比，鋼筋與混凝土線膨脹系數更為接近，兩種材質間具有良好的黏結力，能有效貼合，且混凝土中氫氧化鈣能為此組合材質提供良好的堿性環境，利于鋼筋表面鈣化保護膜的形成，對高強高性能混凝土-鋼組合結構體系有保護作用。同時，鋼材的抗拉強度較高，普遍在200MPa 以上，以高強高性能混凝土-鋼組合結構體系為基礎的混凝土-鋼組合梁已成為當前應用范圍較廣的一種新型梁，此結構設計方式在有效承擔梁底拉力的同時，能為梁部及以上結構提供支撐。且基于鋼的材料優勢，在當前的建筑結構設計中，多將高強高性能混凝土-鋼組合結構體系作為建筑結構的承重骨架，并作為結構體系中主要的抗側力結構，有效承受地震作用、風荷載產生的大部分水平荷載及外框架的豎向荷載。綜上，同傳統混凝土相比，高強高性能混凝土-鋼組合結構體系能進一步提升其整體構建抗震能力。

2.4 明確設計指標

在開展高層住宅建筑結構設計中抗震結構設計時，為加強設計的合理性，保障建筑結構的安全性，提高工程的價值，需要對抗震結構設計理念進行深度了解和分析，根據現今發展實況及具體要求，開展適當的創新活動，從而更好的指導設計人員工作，轉變傳統設計思想，加強設計的有效性，達成最終的工程建設目標。在抗震結構設計中，設計人員需開展現場勘察，收集齊全的數據資料，明確設計指標要求，并以此為基礎更好的規劃設計方案，提高建筑結構抗震等級。在設計過程中，指標參數的確定要做到科學合理，要考慮到可能發生的問題及帶來的影響，切實增大建筑結構承載力、強度和剛度。另外，在設計指標確定中，還應考慮到國家現有規范標準，全面分析地震作用力對建筑的傷害等級，以此為依據，完善抗震結構設計方案。此外，在設計過程中，設計人員還要樹立全面管控意識，從多方面展開考量，注重設計的合理性、可靠性。

2.5 大變形能力節點

裝配式結構間節點的有效銜接與固定對提升高層住宅建筑整體抗震能力有重要意義。所以，在節點銜接方法設計與選取的過程中，使建筑結構在遇到大地震后，阻尼器充分發揮耗能作用的條件下，結構節點不會出現較大的變形與損壞，且需具有震后易修復的優勢，以便于對建筑體系進行震后修復，保障整個建筑體系的安全性。在常見框架間節點銜接、固定方式中，無黏結預應力筋拼接節點主要是指預應力筋在節點內與節點兩邊一定范圍內與混凝土無黏結，優勢是在大變形后仍具有較好的彈性，且強度、剛度衰減較小，殘余變形較小，拼接節點耗能也較小。黏結預應力筋拼接節點與無黏結預應力筋拼接節點相反，節點同混凝土有黏結，優勢在于延性和變形恢復能力更優。后澆整體式節點能進一步提升節點抗剪強度，對提升節點強度、改善耗能、提升變形恢復能力均有重要作用，有助于推遲破壞發生，提升節點承載性能，若遇大震，有助于延長建筑內人們的逃生時間。隨著工藝的發展，有關人員提出螺栓連接節點這一連接方式，主要適用于梁端采取設置加寬擴大段、預埋鋼套管等措施，在節點連接過程中，用高強螺栓進行無黏結式連接與固定，此方式具有耗能低、節點鋼化退化慢、變形能力好等優勢。所以，在實際設計過程中，需要根據高層住宅建筑的地理位置、施工成本、高層住宅建筑設計要求等，選取更科學、適宜的節點連接方式，以保障高層住宅建筑抗震能力。

2.6 切實提升建筑物的抗震強度

在高層住宅建筑結構的抗震過程中，建筑物的剛度、強度都發揮著非常重要的作用，將地震給建筑物帶來的損害進行合理分流，會切實減輕地震對建筑物的危害。地震發生時，建筑物剛度、強度都會抵抗一部分地震力，要分流這些地震力，讓建筑所有的結構一起承擔地震力，以防地震力作用于某個點而給建筑物的這個點帶來傷害，進而發生局部崩塌，最終也會嚴重影響整個建筑物。地震力分流對提升建筑物的抗震性能有非常積極的作用。設計建筑結構時，既要考慮建材的質量等相關問題，又要考慮工程的實際承載性，與此同時，還要兼顧建筑物的荷載力，在設計階段，肯定會有薄弱的環節存在。我們要高度重視薄弱環節的設計工作，對薄弱環節要有更多地保護措施，加強對薄弱環節的建設，以有效提升薄弱環節的承載力。建筑物進入到施工階段以后，仍需強化施工的薄弱環節，這樣，建筑物的整體抗震性能才能得到極大地提升，進而為人們的安全居住提供了必要保障。

2.7 根據實際情況確定合適的建筑形式

隨著建筑行業的繁榮發展，也延伸了多樣化的建筑結構形式，磚混結構、鋼結構、框架剪力墻結構、混凝土結構等都是常見的建筑結構形式，這些建筑結構形式有著各自的優勢和不足，抗震性能也有很大的不同。因此，在設計高層住宅建筑結構時，需要根據實際情況，將建設區域地震的發生頻率和抗震等級考慮進去，確定合適的建筑結構形式，提高建筑結構的安全性能和抗震性能，確保人們的居住安全。同時在設計過程中，需要建立科學合理的地震受力模型，合理分析、準確計算結構受力情況，確保建筑結構的所有承重構件符合抗震設計要求，這樣才能提高抗震設計效果。外界條件相同的情況下，如果高層住宅建筑采用的是磚混結構形式，那么它的抗震性能要比混凝土結構形式差一些。具體原因為，磚混結構的主體承重材料是磚砌體，這種材料結構強度和硬度不夠，容易破損，而且磚體結構重量過大，在地震作用下，高層住宅建筑的破壞程度大大增加。混凝土結構的主體承重材料主要是混凝土，使用的是輕質材料填充墻體，整體的重量是遠遠低于磚體結構的，這樣一旦發生地震，它的穩定性、抗震性就要高于磚混結構。目前，國外常用的建筑結構形式是鋼結構，這主要是因為鋼結構生產、施工便捷高效，而且鋼結構的抗剪性能、抗壓性能優異，同時具有較好的強度和延展性。此外，鋼結構材料能夠實現循環再利用，綠色環保，抗震性能、防火性能優良。框架剪力墻結構也是不錯的選擇，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，擁有較大的剛度，即便是在水平地震力作用下，整體結構也能保持較強的抵抗變形能力。

2.8 優化高層住宅建筑鋼結構抗震設計

鋼材料相較于傳統混凝土材料具有多方面的優勢，如質量較輕、較理想的彈塑性、較突出的機械性、可循環利用。正是憑借著以上諸多優勢，鋼結構建筑已經廣泛應用于很多行業，尤其是工廠建設中。經過多年應用，鋼結構建筑另一優勢逐漸顯現出來——抗震性。在設計鋼結構建筑時，需要嚴格遵守國家規范標準，將抗震結構設置方式和方法明確，從而最大限度地保障建筑鋼結構的安全性。在相同荷載中，鋼結構構件比傳統鋼筋混凝土結構界面尺寸小、厚度薄，這是其突出的優勢。但是鋼結構也可能受到多方面因素影響發生穩定性不足、結構失穩等不良現象。為了妥善處理鋼結構失穩問題，設計人員需要深入分析每個構件，進而推演整個結構穩定性，提高計算準確性，保證整體鋼結構設置科學合理。另外施工材料在很大程度上影響建筑鋼結構施工質量。市場上的建筑材料質量魚龍混雜，采購時對產品性能及質量了解不深入，入場抽樣檢查、材料保管不到位等原因，導致使用的材料存在質量問題。因此需要從產品采購、質量檢查、材料保管等多個環節加強材料質量控制，確保材料能夠滿足鋼結構建筑的質量需求。設計人員還要科學地分析受力情況，平衡好各個結構部分、各種材料的受力情況，對鋼材的受力性能認真檢查。合理選用焊接工藝，加強焊接質量檢查，確保有機地連接各個構件。保證一旦發生地震能夠迅速分散各種應力，提升鋼結構建筑的總體承載力，確保建筑抗壓、抗拉能力達標，均衡受力情況，提高建筑鋼結構整體安全性。

結語：

綜上所述，為加強高層住宅建筑結構的穩定性和安全性，應加大對抗震結構設計的重視力度，根據現有規范要求及建筑特征，對建筑結構抗震性實行科學規劃和處理，提高結構剛度、強度、承載能力，科學選型、選址，保障建筑安全性，降低地震災害帶來的破壞和威脅，在提高建筑質量的基礎上，為人們營造安全舒適的建筑空間。與此同時，抗震結構設計水平的優化也是推動整個建筑行業持續前行的關鍵，值得相關人員加以重視和探討。