浅谈高层建筑的抗震防风结构设计

李鹏超

摘 要：随着经济和科技的发展，城市化和工业化在逐步覆盖全国，因地震造成的灾害由于各种防护措施的保护，人员伤亡不高，但是经济损失是巨大的。抗震设计是衡量建筑是否过关的重要依据。但是抗震设计要针对不同的地点、地形及建筑的需求，区分对待，不能一概而论。

关键词：抗震；结构；设计方法；探讨

1 高层建筑抗震结构设计中存在的问题

1.1 建筑结构设计材料的选用和结构体系问题

在我国目前高层建筑结构的常见类型有框-筒式、框架-支撑式及筒中筒三类形式，其九成为钢筋混凝土结构和混合型结构，但是其地震承受能力在国外还没有被完全承认。目前在国际中，地震带区域内的建筑都是钢结构主体，这些区域内的抗震建筑都可以作为经验供我们学习和借鉴，选用抗震及刚性材质高的材料来建设，它们与混凝土材料相比，其韧性、延展性、质密度等性能及性质相当优良，其抗震能力尤为突出，混凝土结构由于其自重较大，加大了建筑的负载，消弱了抗震能力。当前，我国常见的高层建筑多数都是混凝土钢筋结构，所以在调控建筑结构的位移标准要以钢筋混凝土的标准为界限。当建筑结构的弯曲形变侧移度超标，即便有钢筋混凝土所含的钢框架结构协助支撑，也不能很好地抑制侧移的发生，致使钢结构的荷载增加，防御地震的能力也不是很好，所以如何限制侧移界限就十分重要，因此对混凝土筒的刚度加强和伸臂结构的设置就非常必要。同时，还需要建设结构转换层，用来应对结构或柱距的变化，但是加强层也处于这一层，二者共处就会使这层的刚度变大，会导致形成钢结构突变及转换层何加强层各结构间剪力变大，难以达到强柱弱梁的建筑目标。所以，在进行高层建筑的建设时，要仔细分析后再去构建加强层及结构转换层的结构，调控好建筑体的刚度范围。

1.2 抗震设防烈度问题

我国现阶段关于建筑对于地震的设计原则是小规模地震建筑要无损，中震造成的危害可以修理，重度地震建筑不倒塌的原则。但是在当前形势下，我国设定的建筑抗震标准相对较低的，中震的标准仅为规定基准以上10%的地震烈度，这些标准在现今及未来的发展趋势下都有待商榷。除此以外，我国的抗震标准的计算和构造标准均比外国要求低，安全程度也不高，另外对于抗震延性的要求如配筋率、建筑的承载力要求等也赶不上国外的水准。

2 高层建筑的抗震设计

2.1 选用标准规范的抗震材料

建筑的布局影响着建筑的稳定性，对于高层混凝土结构也同样适用，结构的布局直接作用于建筑的主体，对于稳固建筑及降低结构形变对于建筑的影响有着重要作用，使整个建筑的力学性能和结构更加稳固，让结构设计及建设的刚度达到建筑的预期标准。规范的建立可以更好的促进事件的发展，建筑材料的标准及规范建立，在建筑施工中对于各结构受力的分析及调控带来了便利，有助于建筑的构造稳定，提升高层建筑对于地震的抵抗性。

2.2 选择良好的抗震结构体系

2.2.1 高层建筑抗震体系的布局构建除了要考虑布局的合理性与实用性，还需要保证其对称与规范，以防止建筑扭转而导致不平衡的现象出现，所以，在竖向面进行结构建设时，构建的原则是由上而下调控结构的刚度逐步减小，并呈现规律性变化，但是因为建筑要求需要改变结构致使平面布局、刚度大小或负载力等参数不规则时，这时判断其规则与否就要从以下几个方面去进行判定：（1）扭转不规则；（2）抗扭转刚度比较差；（3）层刚度不达标；（4）平面结构不够规则；（5）楼板结构不规则；（6）竖直面刚度不规则，只要有一项符合条件的即为不规则结构，当满足三项及以上则属于重度不规则，出现不规则情况后要在相应的结构部位进行加强，提高其抗震能力，同时要进行专项审查，是否合乎高层建筑的抗震设防规范和限度，一旦有经过核实和调查与抗震规范要求指标不相符的，被认定为极度不规则体系的建筑，要及时与建筑设计者交流和协商，更设计方案。

2.2.2 多道抗震设防。地震中建筑结构的各部分会出现损坏或塑形铰，但是如果可以控制这些情况出现的顺序，组成多层次的防御体系，那就可以保证结构在地震中不倒。局部的损伤同样会引起整体结构的损伤，所以为了避免出现这一情况，需要组成超静定结构将不同的但延性好的其他体系一同抵御地震带来的危害。因此对于构件的整体性能和应付形变的能力要求较高，一旦第一道抗震防御带出现问题，第二道体系就要立刻作为屏障充当起防卫作用，保持建筑的稳固。以框架剪力墙为例，它由抗震墙和框架组成两道防线防御地震，二者分别为第一第二道防线。只有当结构体系有多层抗震墙时才可以称之为多层防御体系。从实际中可知，地震中房屋倒塌的原因是由于抗侧重力面承载力不够，当选择多层防御体系时，可以适当削减初道抗震墙的控制防御能力，但同时要提升下一道防线的地震破坏抵御能力。

2.2.3 抗震薄弱层。在进行建筑构造时，有时会因为某些原因如材料的特性、形状和性能，外观要求或功能要求等，使建筑的结构出现在各个方向平面上的不规则较大变动，当出现地震时，由于地震的影响这些部位首先出现弹塑性非线性形变，这这些部位就会变成建筑的薄弱点，易引起建筑的损伤。但是要注意的是：（1）只有在地震情况比较严重时才出现有关薄弱层的弹塑性形变问题。（2）对建筑进行受力分析时要考虑整个大局面的情况而不是仅仅只有薄弱地方的受力或形变问题。（3）薄弱层的位置不是一成不变的，它会随着建筑的设计变迁或施工材质的变化而迁移，因此如何能在调控薄弱层位置的变化的同时，又可以复合形变能力的指标，这是才是解决建筑薄弱层问题关键所在。

2.3 刚度、承载力和延性的匹配

结构的抗力与总体延性的关系是反比例关系。地震对于建筑的影响与建筑物的动力特性密切相关，只有建筑的承载力分布、刚度及延性满足标准才能起到灾害防御作用。但是建筑侧翼的刚度提高，需要加大资金的投入并同时会引起构件延性的降低。高延性的构件是支撑建筑抗倒塌的条件，但是在实际中是很难保证每个构件都能有期待的延性指标。因此，只有在建筑中选择最为关键的结构和杆件，保证其延性的强度，这样既降低了成本又满足了要求。

3 高层建筑的防风设计

风力与时间的变动有关，在常见建筑中风力对于建筑的影响较低，风力荷载用一般的动态方法就就可以防御，然而在那些建筑体积纤细的上，风力作用就比较明显了。风荷载数化的依据就是风力的大小，而影响建筑结构设计的预测寿命的依据就是最大风力的数值。影响防风设计的因素有以下几个方面。

3.1 地理位置

在许多地方都有风速统计记录，已经有相当成熟的数据库记录，可用于绘制风速分布地图，将基本风速用等值线代替显现，而等值线则是地图中的等值的比例风速线。

3.2 物理位置

当高层建筑处于不同地点，比如在内陆和沿海地区，二者地表或地形上的粗糙度会影响风速的变化，同时由于高度的变化风速也在变强，所以粗糙系数就应运而生，它从地理位置的表面粗糙度及楼层高度去考量风速。

3.3 建筑结构尺寸

所处的高度越高，风速就会越大，因此建筑的防风设计与构建的高度有关。这是就需要引入参考风速这一概念，它是由粗糙系数、地形等计算获得的因式，而由风速产生的压力则与平均风速有关，与其平方成正比例关系，平均风速也是由参考风速计算而得。

4 结束语

建筑物结构的抗震功能非常重要，只有设计出严谨科学的建筑抗震设计，才能抵御地震对于人们造成的危害，降低财产损失，因此只有在建筑的抗震设计中不断创新和进步，以前事为鉴，才能有效地避免因地震而造成的诸如唐山大地震、汶川大地震式的悲剧。

参考文献

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