高层混凝土建筑抗震结构设计浅探　

［摘要］随着我国经济社会的快速发展，建筑结构的抗震性能要求普遍进入人们的视野。高层混凝土抗震结构设计中，结构刚度值的控制至关重要。同时，因地制宜地优化高层混凝土建筑抗震结构设计，建立构件受力模型，建立“框-剪力”结构，都有助于提升高层混凝土建筑的抗震效果。

［关键词］高层建筑；混凝土结构；抗震设计

引言

经济的不断发展带来了我国建筑结构的不断升级，人们对高层混凝土建筑抗震性的需求越来越大，如何进行抗震结构设计已经成为了摆在领域从业者面前的重难点问题。本文对有关问题进行了分析，将地震结构设计与具体实践相结合，从而为相应问题的解决提供了一定建议。

1高层混凝土建筑在地震作用下的破坏特点

地震对高层混凝土建筑的破坏可分为四大方向，地基破坏、结构体系破坏、刚度破坏、构件破坏。若建筑整体处于柔弱土层上，则易发生地基破坏，这是由于地震中土体液化会导致基础沉降的发生，这会致使高层混凝土建筑上部出现倾斜、地基发生不均匀沉降现象，同时使建筑物产生裂缝。而结构自身的结构周期与场地周期相一致时更会发生共振效应，进而导致更为严重的结构破坏状况发生。若地震中的建筑是框架填墙类结构，则地震发生时，框架的内框架柱上部会有剪切型破坏发生。而由于窗下墙的存在，窗洞部分会发生短柱型破坏。当高层建筑以矩形平面式作为主体结构时，一旦建筑中电梯井等结构发生偏心，地震带来的扭转震动作用会使得地震破坏力度大为增加。除此之外，L形及三角形的不对称式平面形式在地震中易发生比矩形更大的扭转震动式震害。而在应用框架剪力墙的建筑结构中，房柱会比房板和墙面的破坏更为严重。由于框架柱中螺旋箍筋的设置，使框架间具有更大的层间位移角，进而使得框架柱对地震的抵御能力更强。

2高层混凝土抗震结构的设计特点

高层混凝土抗震结构设计中，需充分控制结构刚度值的大小。做到对建筑建设区域地形地质状况、建筑基本建材性能、主要设备运行参数、应用力学体系等基本情况的了解，从而确定建筑整体刚度及主要结构设施的建设刚度。进而依托连接结构进行调解，以确保抗震能力的充分抬升，使建筑整体受力大小保持在地质支撑所能承载的范围内，即抗震结构设计的基本思想是允许建筑结构在地震中有小范围的偏转，并经过连接结构的调节使得建筑性能仍在可接受的运行范围内。抗震结构设计展开过程中，设计人员应对建筑主体结构之外各关键部位及受力连接点的受力参数进行精确计算，并依照计算结果与实际情况相比对，从而进一步开展建筑主辅结构的优化设计。过往经验表明，使用了柔和刚度的混凝土在地震中更易发生主体结构的变形与损坏。并在余震作用下发生进一步结构损害直至坍塌。故而高层混凝土建筑设计过程中应着重建筑主辅结构的设计优化，以确保结构刚度能够达到指定要求范围。同时还应强化结构延展性，从而抬升整个高层混凝土建筑的抗震性能。

3高层混凝土抗震结构设计的要求分析

在实际进行高层混凝土抗震结构设计的过程中，需要按照一定的设计要求，进而有效确保设计的全面性和有效性，首先，是建筑的刚性要求，在设计的过程中，为应对高层建筑在震动中出现基本架构特点，所以在设计时，应该具备动态维修与检修的能力，确保建筑的整体结构不会发生改变，从而实现高层建筑提升抗震性的效果。其次，是在建筑受力情况的要求，在建筑遭受震动时，由于建筑的层数过高，建筑的结构主体会出现侧倾的情况，并不断进行倒塌和建筑损坏，进而使得高层建筑产生严重的破损和不足，因此，在实际进行高层建筑高层混凝土建筑抗震设计的过程中，需要把建筑的组件和交接点的耐受程度作为设计的重点，从而避免建筑遭受震动的伤害。最后，是建筑的延展性设计，在实际设计的过程中，主要是通过重视抗震效果的提升，通过在提升建筑结构刚性和强度的基础上，设置有效的措施与合理设计，进而有效提升建筑结构的延伸作用，从而实现高层混凝土抗震结构设计的优化与提升。

4高层混凝土抗震结构设计的优化实践

4.1优化高层混凝土建筑抗震结构设计

高层混凝土建筑结构设计过程中，对抗震结构进行优化在对工程造价产生影响的同时能够有效强化抗震效果，设计开展过程需综合高层混凝土建筑的功能要求、使用指标，在严格规范制度的前提下践行目标。优化过程中有多种结构类型可供选择，如剪力墙、框架结构等，在结构类型选择的实践过程中需综合社会效应、工程造价的基本要素，融合经济学考量、美学欣赏的设计要素，选择与建筑类型及要求相适宜的抗震结构体系。优化工作需从规划设计着手展开，这首先要求混凝土高层建筑平面结构设计得干净、对称、整齐，其次应在定量分析基础上对混凝土结构抗震性能展开体系研究，从而对其整体性能进行明确，并通过对结构特征、剪力墙方案、布置方法的确定，实现高层混凝土建筑抗震结构的优化。例如，对抗震结构的基础结构进行设计优化时，应从以下几方面着手。首先要做到相同结构单元在性质一致基础上的有效布置，这要求在面对新填土、液化土、橡皮土等具有不均匀承载力的土层时，应采用一定措施使基础结构的整体性及刚性得到有效提升。如以基础结构的整体性为例，可以通过钢筋混凝土圈梁、调置构造柱的方式，不仅可以抵抗基础不均匀沉降引起墙体内产生的拉应力，同时还可以增加房屋结构的整体性，防止因振动产生的不利影响，并且在设置圈梁时，还需要连续地设在同一水平面上，并形成封闭状，从而提升基础结构的整体性。不仅如此，还可以把可用沉降缝在适当部位将房屋分成若干刚度较好的单元，把沉降缝的基础分开，并在房屋四角设钢筋混凝土构造柱，并且从柱里抽出水平钢筋与砖墙拉结，以确保地基能够有效承载。其次，在设计过程中，要合理运用底框结构，虽然这一结构兼具经济及实用性，但这一结构刚度分布不均匀，易出现头重脚轻等情况。使得地震发生时建筑整体易发生不均匀变形，其抗扭性能并不能达到设定标准，故而使得房屋裂缝及倒塌的情况更易发生。因此地震发生较为频繁的区域不宜运用该结构，或即便运用也应辅以其他结构设计，以确保框架结构上下刚度的协调均匀。第三，抗震建筑的整体结构设计作为建筑建造的第一步，其完备性、系统性、功能性程度决定着建筑抗震性能的底色。故而设计过程中设计人员应对高层混凝土建筑的施工情况进行全面的勘察和了解，在实际了解的过程中，包括对具体施工工艺、应用材料、预期建设位置、地质地貌等要素进行全面了解，并形成调研报告，以此明确设计过程中的重要节点，在提升高层混凝土建筑抗震性的同时，实现主体建筑与客观环境的协调性和一致性，因地制宜地开展设计工作。最后，设计团队应搭建起抗震结构设计的数据库，对地震中发生损害的有关建筑进行损害记录，并比照其原本结构进行地震损害方式、结构塌陷过程的逆向还原，以此为后续抗震建筑的设计提供有益参考与启发。在实际构建数据库的过程中，主要是通过三维成像技术，构建虚拟的数据模型，在满足全面观察的同时，还可以结合演示模式，对建筑在地震中的实际情况进行模拟演示，从而有效加强设计的针对性和有效性。从而尽量实现科学合理的力学模型搭建，进而对主拉应力、剪摩理论实现充分利用，来搭建尽可能合理的抗震结构。

4.2充分了解周边环境，因地制宜展开设计

高层混凝土建筑的设计建造过程中，应将对地震等有关自然灾害的预防囊括在结构设计过程中。故而，对建筑位置的合理选择，能够显著提高相关结构的抗震能力。位置的选择应依托于相应科学理论，并在对备选位置周边地形地貌进行广泛勘探后挑选适合位置后开展工程建设。这期间应注意高层混凝土建筑周边不应出现变电站、发电厂等安全不稳定因素，并尽量将位置选择在平缓地带，避开山坡、沼泽等不利于抗震的地点。结构设计方案的制定应在国家有关标准体系框架内，而实际施工过程中的结构自身应具备一定的空间调节能力。以确保外力影响下结构建筑结构具备一定的结构延伸能力，具有依托记忆形状恢复至先前形状的能力。这一做法能够有效增强结构的抗震性能，并以这一延展性方案延长建筑的耐久性。例如，抗震结构设计过程中设计团队应对建筑周边环境进行实地考察，通过构建不同专业人员组成的实地勘察组，对施工地点以及周边环境的地质状况实现有效勘测。以此完善设计结构，对建筑中的关键连接点进行附加式稳固措施，在材料的选择过程中应兼顾材料的刚性和可延展性，主要是依托实地市场调研的方式，结合抽样检查等方式，对材料的实际特点与特性进行了解，坚持“只选对的，不选贵的”的原则，以实现传统材料和新型抗震材料的兼顾运用，从而在材料方面提升建筑的抗震性。同时对建筑整体重力是否均匀分布进行评估，评估过程需遵循重力均匀对称的分布原则，利用合理的检测设备和检测技术，对建筑整体重力进行全面的评估和了解，从而为后续设计提供基础与前提，有效提升高层建筑的抗震性。在评估结果参考，针对重力分布不均匀的前提，通过依照地形地质特点对建筑的重力分布进行实时调整，从而有效捕捉建筑重力的变化规律，引导其中的不规则力，以有效提升建筑整体抗震能力。地震发生时由于其地质表层产生的应力呈现不均匀分布态势，故而作用于地基时这类不规则力会对地基构型产生扭转撕裂作用。并向上传导使得建筑整体发生扭曲变形，进而导致建筑坍塌情况的发生。不仅如此，在实际进行高层建筑抗震设计的过程中，由于地震的突发性特征，故而建筑整体结构设计开展过程，需参照有关地震数据体系，并依托勘测而来的建筑地底基质数据进行应力模拟分析，然后对后续可能发生的扭转拉扯情况进行计算评估，以此确认房屋结构中各主要连接部位位移标准的范围，实现最大最小位移刚度的检测确认，从而有效保证地震发生过程中，房屋位移的一致性。而且，在实际进行建筑设计的过程中，设计团队应进一步对高层混凝土建筑实现位移范畴的整体拟合调试，以对地震中可能发生的情况进行预估，从而及时发现并解决问题。

4.3建立构件受力模型，建立“框―剪力”结构

在对抗震结构进行整体分析时，需要建立各构件的受力模型。以此确认结构不同部位的不同受力情况，并依托受力模型进行常见地震情况下建筑的应力方向、大小分析。以此为基础采取适当的结构性补充措施，以增强地震发生时建筑抗震性能的稳定性。这期间应尤其注重竖向结构上建筑的重力分布，以确保结构纵向上各组分受力均匀、结构受力合理且在适中范围内、各受力结构间未发生交错，应确保各受力组分间层次分明，各司其位。在此基础上对整体结构进行优化补充，对补充结构做出对应的美学设计，以确保建筑抗震性能与美学特征的双重提升。抗震结构设计中主体结构下包含多个延性分体系，各延性分体系间应进行有效的协同连接。例如，可建立“框-剪力”结构，以此形成多肢剪力墙结构分系。因为高烈度地震后往往有余震的发生，故而单一抗震防线的建立并不能有效应对余震。因此设计人员应模拟地震发生情况，在同一平面主体构建达到屈服程度后，确保其余抗侧力部件仍能处在弹性延展过程，以此实现主体结构有效屈服能力的跃升。由于钢筋混凝土自身自重较大，故而底层柱轴力相较于建筑高度成反比态势，在设定固定层高前提下，整轴压比的抬升是提升固件延性的主要措施，但轴压比不能过大，不然会导致结构短柱的形成。结构短柱延性极差，极易导致在地震中发生剪切破坏，进而使得建筑整体坍塌。以实践过程中结构短柱的加固为例，设计团队在结构短柱已经发生的情况下对其进行加固，有两个主要的加固设计方向。首先是对螺旋复合箍筋的使用，由于建筑框架柱的抗剪能力应符合强剪弱弯及剪压比指标，而短柱结构对这一标准并不适用。这时应加入螺旋复合箍筋，以此提升框架柱抗冲剪能力，对混凝土约束实现优化，使得短柱抗震能力得到提高。除此之外，还可选用分体柱形式，即将支柱循其竖向进行设缝，将整体短柱化为若干分体柱，并通过分体柱配筋在柱肢间安装隔板、摩擦阻尼器等连接件提高柱子的延性及整体抗变形能力。使得地震发生时短柱的破坏方式由应力剪切向整体弯曲转换，从而使得短柱功能向长柱转变，以此实现抗震能力的提升。并且，在实际使用构件的过程中，需要针对构件加固与参数的设置，在实际设计时，要从现实出发，充分选用减震性较强进行替代，有效避免构件中存在缺陷和误差。在实际设置时，可以基于抗震性的特点，通过增加组件、扩大横切面积的方式，从而对建筑构件进行加固，有效提升建筑的抗震性能。不仅如此，在进行构件设计的过程中，应该注重构件的参数设置，在实际设置的过程中，要对震动周期、扭转角度、刚度比例等参数进行严谨的设计与计算，从而有效提升高层建筑混凝土结构的抗震性。

5结语

综述而论，我国建筑抗震结构整体设计尚处在开拓期，近些年来的工程实践已积累一定经验，但理论分析的整体仍需逐步扩衍，这需要全体设计人员的集体探索，从而实现抗震建筑材料、构型、理论方面的全面提升，以有效解决地震中建筑发生的相应问题，助力社会民生的更好发展。

翟厚智 安徽寰宇建筑设计院

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