高层建筑刚度对抗震设计的影响

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摘要：随着社会的不断进步，城市化进程加快，城市生活空间逐步减少，越来越多的建筑倾向于高层建筑。在建筑高层建筑时，人们首先会考虑其抗震性能，高层建筑的抗震设计是高层建筑设计的重点，高层建筑的基础刚度与整栋高层建筑的抗震性能具有较高的关联性。文章主要分析了高层建筑基础刚度对高层建筑抗震设计的具体影响，希望为高层建筑设计师合理规划基础刚度、提高抗震性能提供科学的理论依据和参考。

关键词：高层建筑；抗震设计；基础刚度

为了确保高层建筑具有足够的抗震能力，减少地震对高层建筑的损害，在进行高层建筑选址与设计时，应确保选址地根基合适，并运用相关的地基处理方法，最大限度地加强高层建筑地基的承受能力[1]。此外，将建筑选址地地基基础刚度也划定到抗震设计范围内，可以有效提高高层建筑的质量。发生地震时，通常经由岩土传播，不同的地基密实度可以直接影响地震的内力分布以及对建筑的冲击。目前高层建筑抗震设计中容易出现的问题主要集中在高层建筑地基场地的选择和高层建筑基础形式的选择上。城市化进程的不断推进在一定程度上造成了城市住房数量远不能满足人们需求的情况。为了提高对有限用地空间的利用程度，给居民提供更多住房，高层建筑越来越多[2]。相比传统建筑，高层建筑的选址要求更高，应尽量选择地基土质较坚硬或者土质均匀的中硬土区域，确保地基具有良好的稳定性及荷载能力。不同的高层建筑所采用的基础形式种类不同，一般会根据所要建造的高层建筑特点以及所选择的场地合理调整基础型式，合适的高层建筑基础型式不仅能提升其抗震性能，还能在一定程度上降低建造成本。

1基础刚度对高层建筑抗震能力的影响

基础刚度会对高层建筑的抗震能力产生较大的影响。当结构侧移刚度减小时，地震作用也会减小，如果同时增大侧移刚度，当发生地震时，会增大建筑结构位移。以某高层建筑为例，该建筑采用挖孔桩基础，通过排成排的方式形成抗震性防护，其基础刚度最小设计值和最大设计值分别为0.5K和2.0K，控制实际基础刚度值不超过该范围。对建筑框架结构自振周期进行分析可以发现，自振周期会随着基础刚度的减弱而增大，与基础嵌固增大值相比更为明显。通过计算可知，楼层剪力会随着高度的增加而减小，倾覆力矩与建筑层高变化也呈负相关关系。当基础刚度值为最小设计值时，建筑结构将会呈现最大的水平位移。受基础刚度影响，框架结构在地震时会出现转动、平动位移现象，柱底层转动、边柱轴向变形转动都属于基础转动，排除柱底层转动的影响，边柱轴向变形所产生的数值变化除以结构宽度所得的商值便是地基转动角。将刚体平动、整体转动的影响排除在外，楼层越高，其竖向结构水平位移越大，三层以下层间位移随着层高的升高而增大，三层及以上层间位移随着层高的升高而减小。立足于基础刚度角度，在估算建筑底层框架上层弯矩时，如果估算值较小，则难以保证建筑结构抗震能力的良好性。

2基础刚度对高层建筑抗震设计中结构侧移刚度的影响

作为高层建筑物建筑结构的固有特性，建筑结构的侧移刚度主要是指建筑结构在遭受水平作用冲击时抵抗建筑物侧向位移的刚度。如果将高层建筑物的建筑结构看作是一根竖向悬臂梁，并且这根竖向悬臂梁的底部具有一定的刚度约束作用，那么在水平方向的作用力下，高层建筑结构顶部的侧移值主要由高层建筑结构顶点水平位移及结构顶部附加位移两部分组成，其中结构顶部附加位移是由结构基础平移和扭转变形造成的；但是有一点没有考虑在内—即使不受外力作用，高层建筑结构自身也有可能存在扭曲变形。若将基础刚度考虑在内，在进行抗震设计时，高层建筑的结构侧移刚度会降低，整个结构会发生平动侧移的情况，结构顶点的相对侧移也会变大。如果高层建筑结构的计算分析是通过嵌固端模型完成的，当发生地震时，受人为因素影响，结构下端的侧移刚度的层间位移角会超出实际值。由此可见，在抗震设计过程中，从建筑结构安全性角度分析，应适当增大底部结构的延性能力。同时，受基础刚度的影响，可能会出现建筑结构的实际钢比重小于嵌固端模型的情况，对此，应从P-Δ效应及结构稳定性方面分析，有效控制重力二阶效应带来的建筑结构位移，确保建筑具有良好的抗震性及安全性。

3基础刚度对高层建筑抗震稳定性的影响

对高层建筑抗震设计而言，在考虑基础刚度的影响时，还需从宏观角度入手，将基础刚度的剪力墙结构视作竖向悬臂梁，判断轴心受压杆件弯曲失稳时其所具备的最大承载能力，并在此基础上，确定竖向弯曲型悬臂杆是否有良好的稳定性，了解基础刚度对高层建筑抗震稳定性的具体影响。结构荷载呈倒三角分布，基础刚度弯曲结构在其作用下，会呈现受力情况，同时产生一定的位移，除了自身的重力荷载，基础刚度结构上分布有水平荷载，不仅会有力的作用，而且还会发生位移，这些都会对抗震稳定性产生一定的影响。另外，高层建筑的基础刚度值并不是一个无穷大的数值，而是在一定的范围内变化。如果高层建筑的基础刚度值降低，会直接影响其整体结构的稳定性。不同的高层建筑在进行抗震设计时应选取不同的基础刚度值，确保高层建筑结构的稳定性满足抗震需求。

4结束语

文章主要从三个方面阐述了高层建筑基础刚度对抗震设计的影响，包括对高层建筑抗震能力的影响、对结构侧移刚度的影响以及对高层建筑抗震稳定性的影响。在进行高层建筑物抗震结构设计时，必须将建筑物的基础刚度作为重要的考虑指标，最大限度地提高高层建筑物的抗震性能，增强其稳定能力。

参考文献：

[1]武旭,王明明.浅析基础刚度对高层建筑抗震设计的影响[J].绿色环保建材,2019(4):88+90.

[2]徐利华.基础刚度对高层建筑抗震设计的影响分析[J].甘肃科技纵横,2018,47(11):53-55.

作者:张诗涛 单位:辽宁城建设计院有限公司