浅谈高层建筑结构抗震设计理念及设计

秦玲霞 董飞虎

摘要：高层建筑混凝土结构是我国主要的建筑结构形式之一，如何设计好高层建筑混凝土结构的抗震结构是我国当代社会所要考虑的重要问题，作为建筑设计人员，在高层建筑的前期要做好地基勘探工作和计算设计工作，注意建筑的平面布置和混凝土材料的选用，加强高层建筑混凝土结构的防震功能。本文对高层建筑结构抗震设计理念及设计进行了探讨。

关键词：高层建筑；结构；抗震；设计理念；策略

中图分类号：TU97文献标识码： A

地震发生具有随机性、强破坏、伴随余震次数多等特点，给社会带来巨大的损失，而建筑抗震能力的强弱直接关系着人们的生命财产安全。因此，结构工程师在规划高层混凝土建筑结构时，应该充分研究以往地震对建筑作用的资料，在全面了解建筑的施工技术、工艺流程、管理、经济、实用性能的基础上，采取合理有效的对策增强其结构的抗震性能，使其具有良好的抗震效果。

一、高层建筑抗震结构设计的要求

就现在的情况而言，要想使高层混凝土建筑达到良好的抗震效果，例如，在地震较弱的时候，整体结构保持稳定牢固不破损； 遇到中等程度的地震，能够经过相关的维修仍可投入使用； 地震较为严重时，高层建筑要做到不倾倒，就需要在设计时，综合考虑刚柔配合，结构各方受力科学合理，根据具体的情况来针对性进行规划，必须按照“强剪强弯”的设计规范标准来提高建筑结构的整体稳定性。一方面，高层混凝土建筑在设计规划时，一定要把握好结构刚度值的大小，经过精确的计算分析，充分了解地质地形条件、所用建材性能、机械设备运行参数、物理力学知识等内容，最终确定高层结构的整体刚度强弱或者某个结构设施的刚度，依靠连接设置的调节作用，力求保证抗震能力的提高，尽量让整个建筑波动受力保持在地质所能支持的范围之间。也就是说，如果其基础结构产生小幅度的变形，结构的自我调节功能就会使得整体结构不发生大幅度改变，在经过一些维护工作之后，仍然具有使用价值。另一方面，在结构设计以及规划时，结构工程师一定要着重关键构件和连接点的受力情况，采取相关措施进行有效调节，可以达到消灾减震的目的，尽最大程度地降低地震灾害带来的损失。根据有关地震灾害统计，刚度过于柔和的高层混凝土建筑受到强大的震动作用后，其主体结构受到了一定程度的损毁，然而在余震的相继作用之下，就会受到持续损坏导致崩塌。

二、提高高层建筑结构抗震设计理念的策略

1、选择合适的抗震场地

每次地震发生时高层建筑都遭到很大的破坏，这除了是因为地址破坏了高层建筑的结构外，跟高层建筑的场地也有很大的关系。地震可能会引起的地表错动与地裂，还可能会引起地基土的小均匀沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。因此，我们应该选择对建筑抗震有利的地段，同时应避开对抗震不利的地段，即使无法避开时，也应采取适当的抗震加强措施，应根据抗震设防类别采取加强地基和上部结构整体性和刚度，和根据地基液化等级部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施；当地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、新近填土和严重不均匀土层时，采用桩基、地基加固和加强基础和上部结构的处理措施，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，对于地震时可能导致滑移或地裂的场地，应采取相应的地基稳定措施。

2 、正确认识高层建筑的受力特点，选择合理的结构类型

高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系； 水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看，垂直荷载方向不变，随建筑物的增高仅引起量的增加； 而水平荷载可来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，水平荷载是结构设计的控制因素，结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外，同时要求结构要有足够的刚度，使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。高层建筑有上述的受力特点，因此设计中在满足建筑功能要求和抗震性能的前提下，选择切实可行的结构类型，使之在特定的物资和技术条件下，具有良好的结构性能、经济效果和建筑速度是非常必要的。高层建筑上常用的结构类型主要有钢结构和钢筋混凝土结构。钢结构具有整体自重轻、强度高、抗震性能好、施工工期短等优点，并且钢结构构件截面相对较小，具有很好的延性，适合采用柔性方案的结构。其缺点是造价相对较高，当场地土特征周期较长时，易发生共振。与钢结构相比，现浇钢筋混凝土结构具有结构刚度大，空间整体性好，造价低及材料来源丰富等优点，可以组成多种结构体系，以适应各类建筑的要求，在高层建筑中得到广泛应用，比较适用于提供承载力，控制塑性变形的刚性方案结构。其突出缺点是结构自重大，抵抗塑性变形能力差，施工工期长，当场地土特征周期较短时，易发生共振。因此，高层建筑采用何种结构形式，应取决于所有结构体系和材料特性，同时取决于场地土的类型，避免场地土和建筑物发生共振，而使震害更加严重。

3 、结构的刚度和延性

结构水平方向的刚度应能使结构抵抗任何方向的水平地震作用，并有助于减少结构的变形。结构还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。由于现有的抗震设计计算不考虑地震地面运动的扭转分量，所以在概念设计中还应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。

延性好的结构能吸收较多的地震能量，能经受住较大的变形。增加结构的延性，能削弱地震反应，提高结构抵抗地震的能力。结构对延性的需求与地震力降低系数是相适应的。地震力降低系数的大小决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小。用于承载力设计的地震作用可以取到小震水平，当更大的地震来临时，则靠结构的延性去抵抗。所以，我们并不采用设防烈度地震作用力来进行结构承载力设计，而需要把设防烈度地震力降低一个系数，称为地震力降低系数。

地震力降低系数对设防烈度地震作用的整体降低实际上决定了结构的屈服水准和对结构延性需求的大小。地震力降低系数取得越大，设计地震作用就取得越小；地震力降低系数取得越小，设计地震作用就取得越大。在同一个设防烈度下，地震力降低系数取为中等，地震作用也为中等，因而对延性提出的要求也为中等。这样，地震力降低系数的大小实际上就决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小

4、隔震和消能减震设计的推广和应用

现在，我国和世界的许多国家都采用适当的控制结构物的刚度，越来越受到人们的青睐，被称为“延性结构体系”，但这种允许高层建筑结构构件（如梁、柱、墙、节点等）在地震进入非弹性状态，而且会有很大的延性，减轻地震反应是以消耗地震能量的方法，使结构物“裂而不倒”。这在很多情况下是有效的，但也存在很多片面性。随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对安全意识越来越注重，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足人们的要求，传统的抗震体系不具备隔震消能和各种减震控制体系，但是隔震消能和各种减震控制体系又越来越受到人们的重视，在未来的建筑结构中将起到非常重要的作用。

总之，对高层建筑在抗震设计时应充分提高其整体的抗震能力，克服设计工作中遇到的问题，提高钢筋混凝土框架结构在抗震设计中的建筑布置、结构的抗震等级，确保人民财产安全。

参考文献：

[1]陈天华.高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J]. 中国科技信息. 2011(16)

[2] 张勇.高层建筑结构概念设计应注意的问题[J]. 价值工程. 2011(11)