高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)分析

0 引言

在我國(guó)城市化進(jìn)程加速推進(jìn)的背景下，高層建筑集群已成為現(xiàn)代城市空間的重要特征。然而，其高度密集化、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜等特點(diǎn)，使其在面臨地震等自然災(zāi)害時(shí)存在顯著脆弱性。開展高層建筑地震反應(yīng)分析具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。結(jié)構(gòu)抗震性能不僅直接影響工程主體的安全穩(wěn)定，更關(guān)乎社會(huì)公共安全與民生保障。通過深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性，系統(tǒng)揭示其在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制，可為提升高層建筑抗震安全性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1高層建筑工程實(shí)施案例

1. 1 基本情況

以某高層建筑工程為例，本工程共22層，總高70m ，其中地上20層，地下2層。項(xiàng)目整體占地面積約 2500m² ，建筑面積 21000m² （地上 18，000m² ，地下 3000m² )。從整體來看，該建筑所在區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，無大震事件，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g) 。勘察單位出具的正式勘察報(bào)告顯示，本工程所在地層構(gòu)造從高到低依次為：以建筑廢棄物及廢棄物的混合物為主的雜填土層，承載力 80kPa ；約4.5m 厚粉質(zhì)粘土層，承載力 150kPa ；約 4.5m 厚粉土層，承載力 180kPa ；約 10m 厚的粉質(zhì)黏土層，承載力 200kPa ；約 8m 厚的中砂層，承載力 300kPa ；承載力 250kPa 的 10m 厚粉質(zhì)粘土層。該工程場(chǎng)地地下水體以第四系孔隙潛水為主，地表深度 5m ，年均水位波動(dòng) 2m 左右。

1.2基坑支護(hù)

鑒于工程地下建筑為兩層結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度確定為 9m 。采用SMW工法灌注樁作為支撐體系，樁徑850mm 、樁距 600mm ，水泥摻量 20% ，外圍以C25混凝土進(jìn)行圍護(hù)。設(shè)置兩層混凝土加固支架，第一層支架埋深 3m ，第二層支架埋深 6m 。支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸為 800mm×800mm ，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。在此基礎(chǔ)上，以SMW工法為核心，采用直徑 600mm 、樁間距 400mm 、水泥摻量 25% 的高壓旋噴樁構(gòu)建止水帷幕。為保障工程質(zhì)量，深基坑施工期間，沿基坑周邊布設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，并同步監(jiān)測(cè)地下水位，以優(yōu)化基坑支護(hù)效能，這是確保及提高工程抗震性能的前提。

1.3構(gòu)件、材料選擇

在高層建筑抗震性能影響因素中，除基坑支護(hù)外，建筑樁基亦不容忽視。本工程選用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，采用先張法工藝預(yù)制，單樁承載力特征值預(yù)估達(dá) 1700kN ，同時(shí)確保樁長(zhǎng)不 <22.5m 且樁身嵌入厚粉質(zhì)粘土層不 <1.5m ，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，以最大限度降低不均勻沉降對(duì)工程的不利影響。樁基施工采用大噸位壓樁機(jī)，并輔以引孔等措施，確保沉樁作業(yè)順利完成。承臺(tái)尺寸為 4000mm×4000mm× 1500mm ，采用C40混凝土澆筑。建筑物主體結(jié)構(gòu)中，梁、柱、墻主筋直徑為 16～28mm ，箍筋直徑 8～ 16mm ，間距 100～200mm 。鋼筋連接采用機(jī)械與焊接相結(jié)合的方式，以保障整體抗震性能。其中，梁、柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30～C45 ，樓面混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30～C35 ，均采用泵送分層澆筑，澆筑厚度控制在 300～500mm 范圍內(nèi)。在上述材料的參數(shù)數(shù)據(jù)選擇中，均借助下列公式進(jìn)行計(jì)算，以確保材料符合實(shí)際要求。

其中， σ 為材料實(shí)際應(yīng)力， MPa ; F 為作用力，N； A 為構(gòu)件截面積， m² ： f_y 為材料屈服強(qiáng)度， MPa 。

其中， σ_cr 為臨界屈曲應(yīng)力， MPa . E 為材料彈性模量， MPa ; λ 為長(zhǎng)細(xì)比。

1.4抗震設(shè)計(jì)

為提高建筑本身的抗震性，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過程中根據(jù)阻尼比公式和自振周期公式，計(jì)算出具體的參數(shù)數(shù)據(jù)后，其中阻尼比為0.04，結(jié)構(gòu)自振周期為0.3s 。在墻體拐角、樓梯間和電梯豎井等重點(diǎn)位置建造結(jié)構(gòu)柱。采用 450mm×450mm 的尺寸設(shè)置柱體，混凝土等級(jí)C30。在結(jié)構(gòu)柱與墻體之間以 500mm 的間距設(shè)置 6mm 厚拉結(jié)筋。抗震剪力墻，厚度從 200～ 300mm ，混凝土強(qiáng)度是 C30～C45 。在墻體內(nèi)部設(shè)有暗柱暗梁，暗柱鋼筋直徑 20～32mm ，配筋 8～ 12mm ，間隔 100～200mm 。暗梁主筋的直徑從 20～ 32mm ，配筋的直徑從 8～12mm ，間隔從 200～300mm 不等。

從最終計(jì)算結(jié)果來看，上述技術(shù)方案顯著優(yōu)化了本工程的地震響應(yīng)特性。通過結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化、高強(qiáng)高剛度材料運(yùn)用、抗震設(shè)計(jì)強(qiáng)化，以及科學(xué)方法與新型設(shè)計(jì)理念的融合，構(gòu)建了一套較為完備的高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)體系。

2提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性的技術(shù)細(xì)節(jié)

對(duì)于高層結(jié)構(gòu)，如何確保及提升其結(jié)構(gòu)體系的抗震能力是一個(gè)非常重要的問題。為保證高層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的安全與穩(wěn)定，需要進(jìn)行一系列的重要技術(shù)處理。從上述高層建筑案例中的設(shè)計(jì)思路來看，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可從以下幾項(xiàng)內(nèi)容入手。

2.1簡(jiǎn)化建筑系統(tǒng)中的組件數(shù)目

為降低工程復(fù)雜度、提升施工效率并控制造價(jià)，需對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行深入剖析。在確保結(jié)構(gòu)完整性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化制造流程并降低成本。這就要求設(shè)計(jì)者需在初期階段對(duì)建筑進(jìn)行全面分析，并明確必要組件與可簡(jiǎn)化或合并的部分。

（1）利用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)分析，依據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化組件單元配置，以提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。在研究結(jié)構(gòu)受力性能與荷載傳遞路徑時(shí)，需進(jìn)行詳盡的受力計(jì)算，以確保內(nèi)部元件布局合理、荷載傳遞精準(zhǔn)。以前文案例為例，為保障建筑整體抗震性，重點(diǎn)優(yōu)化了梁柱與剪力墻的連接與布置，以避免應(yīng)力集中與荷載傳遞不暢。具體實(shí)踐中，施工圖設(shè)計(jì)階段需精選梁、柱等構(gòu)件的截面形狀與配筋方式，從而減少應(yīng)力集中，提升結(jié)構(gòu)整體抗震響應(yīng)能力。

(2）梁柱連接及其與框架的連接是高層建筑抗震的關(guān)鍵，其工作狀態(tài)直接影響整體抗震性能。因此，需對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊構(gòu)造處理，以確保在強(qiáng)震下仍能保持良好的連接與荷載傳遞能力。通過加固節(jié)點(diǎn)、提升節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、增加預(yù)應(yīng)力及能量耗散能力，可全面改善節(jié)點(diǎn)性能。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗震能力，需采取措施提升側(cè)向承載力。以前文案例為例，通過設(shè)置水平支撐與剪力墻，有效提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力。

2.2選用高強(qiáng)度高硬度材料

采用優(yōu)質(zhì)材料可顯著提升結(jié)構(gòu)承載力與抗震性能。當(dāng)前，高強(qiáng)混凝土與高強(qiáng)鋼筋是我國(guó)高層建筑領(lǐng)域的兩大核心材料[1]。在構(gòu)件選型時(shí)，需結(jié)合具體結(jié)構(gòu)條件，分析構(gòu)件受力特性，明確荷載傳遞規(guī)律。憑借高強(qiáng)度、高耐久性及良好工作性能，這些材料在高層建筑中應(yīng)用日益廣泛。高性能混凝土的應(yīng)用大幅提升了結(jié)構(gòu)的承載能力與抗震響應(yīng)能力，同時(shí)其優(yōu)異的耐久性與抗?jié)B性有效延長(zhǎng)了建筑使用壽命，降低了維護(hù)成本。高強(qiáng)度鋼筋因其高強(qiáng)度與良好焊接性，在高層建筑中得到普遍應(yīng)用，可改善梁、柱及剪力墻等構(gòu)件的工作性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力[2]。此外，采用高強(qiáng)度鋼材可減小構(gòu)件截面尺寸，提升建筑經(jīng)濟(jì)性與美觀性。在材料選擇時(shí)，應(yīng)全面評(píng)估材料特性。混凝土選擇需綜合考慮抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及耐久性；鋼筋性能評(píng)估亦不容忽視，需計(jì)算屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率等指標(biāo)。從工程案例及前文數(shù)據(jù)可見，該工程嚴(yán)格把控各項(xiàng)性能參數(shù)，所有建材均設(shè)定明確嚴(yán)格的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以確保所選材料滿足抗震性能要求。除選用高強(qiáng)高硬度材料外，還需對(duì)加固件性能進(jìn)行評(píng)估，包括桿件截面尺寸、配筋形式及數(shù)量等，以確保建筑在強(qiáng)震下仍能保持穩(wěn)定。

2.3增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)能力

為提高高層建筑的地震響應(yīng)能力，需在施工過程中采取科學(xué)的結(jié)構(gòu)布局、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接形式并合理設(shè)置消能裝置，從而有效提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)的合理布局是抗震分析的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免應(yīng)力集中和傳力路徑不暢等問題，并對(duì)荷載傳遞路徑進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。以框剪體系為例，需通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)件確保地震作用下的受力均衡，防止局部破壞現(xiàn)象發(fā)生。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是影響結(jié)構(gòu)整體抗震性能的關(guān)鍵因素，在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選用剛接梁柱節(jié)點(diǎn)或配置消能構(gòu)件的形式，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的抗剪和抗彎能力。同時(shí)，應(yīng)重視墻體連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，如在本文案例中，通過設(shè)置暗柱、連梁和框架柱等構(gòu)件，可顯著提升結(jié)構(gòu)抗震性能。對(duì)于甲類等重要建筑，建議采用抗震墻或阻尼器等消能裝置，根據(jù)建筑功能需求和地震特性合理布置抗震構(gòu)件，科學(xué)確定消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)置形式和數(shù)量，從而有效削弱地震波等橫向荷載的影響，確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的安全性[3]

2.4科學(xué)方法和新工藝的運(yùn)用

在落實(shí)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)外，從全新的施工工藝出發(fā)，引入更多新工藝，是后續(xù)建筑發(fā)展過程中的核心關(guān)鍵也是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化的重點(diǎn)措施。近年來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新的科學(xué)方法、新工藝不斷地被運(yùn)用到高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中。智能化減震系統(tǒng)、新型結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代分析技術(shù)正逐步應(yīng)用于高層建筑抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為研究超高層建筑的地震響應(yīng)特性提供了新的技術(shù)支撐。智能消振系統(tǒng)是一種對(duì)地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)節(jié)其剛度、減振效果的新方法[4]。在高層以及超高層建筑中，采用基于傳感器的智能減振裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地震動(dòng)響應(yīng)的精準(zhǔn)捕捉與動(dòng)態(tài)調(diào)控。比如，改變剛度支承、變阻尼等設(shè)備，可使其隨地震動(dòng)幅值、方位進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到降低地震反應(yīng)的目的。采用智能減振體系可以有效改善高層建筑的整體抗震能力，減小其對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊。

近年來，材料科學(xué)不斷發(fā)展，各種新材料不斷涌現(xiàn)，并在工程中得到廣泛應(yīng)用。例如，一些新材料如復(fù)合材料、納米材料等，由于其高強(qiáng)高韌，耐久性能好等特點(diǎn)，適合作為梁柱和剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用。利用這種新的結(jié)構(gòu)形式，可以有效地改善其受力、抗震、減震等方面的性能。采用這種新的結(jié)構(gòu)材料，不僅能有效地提高建筑的建造速度，而且能減少工程造價(jià)，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

此外，先進(jìn)的分析技術(shù)在提升高層建筑抗震性能方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元法、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)等新型計(jì)算手段在工程中得到了廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)能夠精準(zhǔn)模擬結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及失效過程，為抗震設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。基于現(xiàn)代分析手段，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局與配筋設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化其地震反應(yīng)能力。同時(shí)，先進(jìn)分析技術(shù)的應(yīng)用還降低了實(shí)驗(yàn)成本、縮短了實(shí)驗(yàn)周期，并提升了實(shí)驗(yàn)效果。

除上述關(guān)鍵要素外，項(xiàng)目實(shí)施階段的高層結(jié)構(gòu)質(zhì)量管理亦不容忽視。在工程建設(shè)過程中，必須嚴(yán)格遵循工程設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確保工程質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求，進(jìn)而保障項(xiàng)目的安全穩(wěn)定。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、選用高性能建筑材料、完善抗震構(gòu)造措施以及應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)工藝，可顯著提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。本文從結(jié)構(gòu)體系選型、材料性能優(yōu)化、抗震設(shè)計(jì)方法及創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用等多個(gè)維度，系統(tǒng)探討了高層建筑抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐表明，在工程實(shí)施階段嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管理體系并遵循規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，是確保建筑結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的重要保障。未來，隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，高層建筑抗震設(shè)計(jì)將迎來更廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

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[3］張華敏．冶金工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震性能優(yōu)化研究[J]．城市建設(shè)理論研究（電子版)，2024（3)：190-192.

[4］王穎．超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題及對(duì)策研究［J]．科技與創(chuàng)新，2022（12）： 4-6+14