高层建筑结构抗震设计探索

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【摘要】阐述了高层建筑结构抗震设计的基本理论，分析了影响高层建筑结构抗震效果的主要因素，从地质勘察、地基处理、结构体系、平面布置、空间优化、材料选用、薄弱层处理、抗震验算、隔震技术、消能减震技术等方面出发，研究了高层建筑结构抗震设计的优化措施。

【关键词】高层建筑；建筑结构；抗震设计；优化措施

1引言

在诸多自然灾害中，地震对人类的影响尤为明显。震级越高，释放能量越大，产生的破坏程度越强。随着建筑高度的不断增加，其抗震性能越来越受到考验，必须引起人们足够的重视。在以往的抗震设计中，存在着一些难以解决的问题，需要加强理论研究和实践探索，积极挖掘新技术、新方法，不断完善高层建筑结构的抗震体系。

2高层建筑结构抗震设计概述

2.1地震作用

地震是一种自然现象，几乎每天都会发生，只不过大多震感不明显。我国位于两大地震带之间，是一个典型的地震多发国家，具有活动频率高、分布广、震源浅、强度大等特点，唐山大地震和汶川地震造成了大量的房屋坍塌和生命损伤，给人们造成的创伤至今无法抚平，因此，提高建筑抗震能力具有重要的现实意义。图1为震后高层建筑受损图。图1震后高层建筑受损图

2.2抗震设计理论

现阶段，抗震设防可以分为多遇地震、设防地震、罕遇地震3个水准点。常规的建筑结构抗震设计普遍遵循小震不坏、中震可修、大震不倒的思想理念，通常情况下，需要进行多遇地震下的弹性分析和罕遇地震下的弹塑性分析。同时，还应该包括设防地震下的中震分析。“三水准抗震设防”思想存在一定的局限性，没有进行定量规定，而且不能有效控制非结构构件，一旦地震发生，导致非结构构件丧失功能，可能会产生不可预估的损失。随着理论研究的不断推进，以及人们对建筑抗震期望值的不断增加，越来越多的抗震设计理论得以发展应用[1]。

3影响高层建筑结构抗震效果的主要因素

3.1选址问题

地震烈度是指某一地区的地面和建筑物遭受一次地震破坏的程度，不同地区的地震烈度不同，直接影响着高层建筑结构的抗震效果，而且场地内的地质条件、水文条件、地形地貌都会影响建筑场地的抗震能力。通常情况下，抗震设计采用基本烈度作为依据，然后根据建筑重要性、抗震性以及地质条件，结合场地烈度，对基本烈度进行调整，作为最终的设计烈度，所以，地质勘察、选址工作至关重要，直接决定了高层建筑的抗震效果和工程建设的经济性。

3.2建筑高度

一般情况下，建筑高度越高，建筑重心越高，稳定性越差。我国相关部门已经对建筑高度和结构体系进行了相关规定，在设计时，必须满足相应的设防烈度要求，严格按照规范执行。然而，随着经济水平的不断提升，高层建筑受到了市场的追捧，许多建筑存在着超高超限的问题，产生了一些不确定性因素，如果没有得到充分的设计论证，一旦发生地震作用，很容易产生形变破坏，甚至出现严重的安全事故，造成经济损失和人员伤亡[2]。

3.3建筑材料

建筑材料是建筑实体的基本组成部分，直接决定着建筑结构质量，不同材料有不同的性能，可以构成不同的结构体系。比如，钢结构具有自重轻、强度高、整体刚性好、抗震性能好、变形能力强等诸多优点，适于建造大跨度以及超高、超重型建筑，而型钢混凝土组合结构既具有钢结构的优势，又增加了混凝土结构的特点。所以，高层建筑结构抗震设计应该根据需求，尽可能使用抗震性能好的材料和结构形式，质量轻、强度高的建筑材料更有利于提升建筑抗震效果。

4高层建筑结构抗震设计优化措施研究

4.1做好地质勘察和地基处理工作

在工程选址时，除了注重地震烈度，必须加强地质勘察工作，详细了解影响场地抗震效果的各种因素，包括岩体的结构、力学特性、工程地质性质以及地下水的类型和分布，地质勘察是分阶段进行的，必须根据不同阶段的勘察要求，严格把控工作质量，保证勘察资料的完整性和准确性，为高层建筑结构抗震设计奠定良好的基础。根据现场地质条件，有针对性地制订地基处理方案，尤其要注意松散软弱土层、风化破碎岩层、断层、泥化软弱夹层、岩溶、土洞等特殊地质，着重提高地基承载力和稳定性，减少不良地质条件对工程建设的影响。根据地质条件和地基处理情况，选择合适的基础类型，常见的基础类型包括独立基础、条形基础、筏形基础、箱形基础、桩基础，在地基处理困难或者不经济时，通常可以采用桩基础，能够跨越一定范围的不良地质，从而为上部建筑提供有力支撑[3]。

4.2选择合适的结构体系

根据建筑承重结构材料划分，适用于高层建筑的结构体系包括钢筋混凝土结构、钢结构、型钢混凝土组合结构，其中，后两者由于钢材的优越性能，具有抗震性能好、变形能力强的优点。根据承重体系划分，适用于高层建筑的结构体系包括框架结构、剪力墙结构、框剪结构、筒体结构。其中，框架结构平面布置灵活，但侧向刚度较小，容易产生非结构性构件损坏；剪力墙结构侧向刚度大，但平面布置不够灵活；框剪结构集合了框架结构与剪力墙结构的优点；而筒体结构是抵抗水平荷载最有效的结构体系，适用于高度较高的建筑。在抗震设计时，应该充分考虑不同结构体系的抗震性能，根据实际情况，合理设置多道防线，提高建筑结构的安全性能。

4.3优化建筑平面和空间设计

柱子、墙体等主要受力结构的平面布置和空间设计，也直接影响着高层建筑结构的抗震性能，在设计时，应该充分考虑工程特点、施工技术、现场条件等综合因素，尽可能使结构平面和空间布置相对简单，同时，注意分布的合理性，使各部分结构受力均匀，减少薄弱部位的出现。通常情况下，建筑结构的质量中心需要与刚度重心相吻合，在设计竖向结构时，应该适当降低刚度重心，控制竖向结构的错向频率，保证竖向位置平衡。另外，合理设置构造柱，可以竖向加强墙体连接，增强建筑物承受地震作用的能力，防震缝的设计也至关重要，一般从基础顶面开始设置，根据建筑高度和抗震烈度，严格控制缝宽[4]。

4.4注重建筑材料的选择应用

相对而言，结构尺寸越小，建筑自重越轻，在遭受地震波冲击时，产生的破坏性越小，但这需要以提高材料性能为保障，在缩小构件尺寸的同时，能够提供同样的承载力，比如，使用高强混凝土，提高钢筋强度等级，设置构造钢筋和抗扭钢筋，等等。随着工程行业的持续繁荣，建筑材料市场也得到了快速发展，许多新材料如雨后春笋般涌现，设计人员应该及时掌握市场变化，了解各种材料的优越性能，科学研判其抗震能力，积极运用到高层建筑结构抗震设计上来，尽量选择质量好、质量小、强度高的复合型材料，能够应对各种复杂状况，达到减轻建筑自重、抵御地震灾害的目的。

4.5结构薄弱层的加强处理

高层建筑结构的侧向刚度分布不均匀，竖向抗侧力构件不连续，再加上楼层承载力突变，很容易出现薄弱层，当发生地震时，这些薄弱部位首先会遭到破坏。所以，必须针对薄弱层进行抗震加强设计，优化结构构件的抗震性能，达到局部增强的效果，减少变形问题的出现，设计人员应该提高重视程度，采用科学的处理方法，保证建筑结构的整体性[5]。

4.6做好截面抗震验算工作

为了保证高层建筑结构截面抗震效果，必须做好验算工作，注重非抗震承载力设计值的选用，紧密联系承载力抗震调整系数，保证截面抗震验算的科学性和准确性。充分利用现代信息技术，在网络和计算机的支持下，应用先进软件工具，提高验算质量和效率，提升设计内涵，确保设计目标的顺利实现。

4.7隔震技术的有效应用

应用隔震技术，能够有效延长高层建筑结构自身震动的周期，从而降低地震造成的破坏程度。隔震层的设计至关重要，利用隔震装置，可以将高层建筑的上部结构和下部结构分割开来，在地震作用下，隔振系统能够化解较多能量，上部结构做缓慢平动，这需要隔震装置具有强大的承载能力，因此，必须保证使用高性能材料，而且为了延长使用寿命，还应该做好保护设计，避免隔震装置失效。为了提高高层建筑结构的抗震能力，可以在顶楼设置反摆隔震层，如果发生地震，反摆隔震层能够产生反方向阻力，缓解地震波的冲击，隔震层的位置选择以及隔震装置的质量标准，都是隔震技术的应用要点，需要设计人员着重把控。图2为隔震技术示意图。

4.8消能减震技术的应用

消能减震技术在高层建筑结构抗震设计中的应用，主要是将某些非承重结构构件设计成消能构件，或者在某些节点安装耗能装置，如阻尼器等，在发生小地震时，消能装置处于弹性状态，高层建筑结构具有足够的侧向刚度，能够满足正常使用需求，当发生中强地震时，随着结构变形和受力的不断增加，消能装置进入非弹性变形状态，这时会产生较大的阻尼，能够消耗地震产生的能量，并快速衰减结构的地震反应，防止主体结构产生明显破坏。消能减震技术是以牺牲消能构件为代价保护主体结构，在地震结束后，可以修复、更换消能构件，使高层建筑恢复到正常使用状态，这与传统抗震体系相比，体现了较强的实用性和灵活性，最重要的是抗震效果更佳，消能减震技术成为减少地震灾难的有效技术[6]。

5结语

综上所述，抗震设计是高层建筑结构设计的重点内容，直接影响着高层建筑的安全性和稳定性。随着经济社会的不断发展，高层建筑越来越多，成为城市靓丽的风景线，然而，高层建筑容易受到地震冲击波的影响，可能会产生严重的损失。本文针对高层建筑结构抗震设计优化措施进行研究，在明确抗震设计理论的基础上，分析了有效的应对方法，希望能够起到积极的现实意义，提升高层建筑结构抗震设计水平，在发生地震灾害时，能够有效减少损失，保证生命财产安全。

【参考文献】

[1]卢一麟,尹凤霞,郭献洲.超限高层建筑结构抗震设计加强措施和建议:以某超限高层建筑为例[J].地震工程学报,2018,40(6):1252-1258.

[2]李子懿,肖从真,李建辉,等.复杂高层建筑结构抗震设计方法研究现状与展望[J].建筑科学,2019,35(9):120-125.

[3]邵李娜,华全庆.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].工程建设与设计,2019(22):24-25.

[4]肖从真,王翠坤,黄小坤.高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新[J].建筑科学,2018,34(9):33-41.

[5]张建新,李辉,孙柏涛.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].世界地震工程,2016,32(1):94-97.

[6]魏琏,王森.中国建筑结构抗震设计方法发展及若干问题分析[J].建筑结构,2017,47(1):1-9.

作者：王斌斌 单位：安徽电信规划设计有限责任公司