对高层混凝土建筑抗震结构设计的研究

高跃进

【摘要】由于现代化建设的需要，高层建筑的数量越来越多，高层混凝土建筑的抗震结构设计成为了建筑中的一个重要研究课题。本文先介绍了高层建筑的设计要点，接着分析常见的

结构体系的优劣，指出了在现实抗震设计中存在的问题，最后提出了设计的相关建议。

【关键词】高层；混凝土建筑；抗震设计；

一、高层建筑的设计要点

1.1水平荷载参数

高层建筑的水平荷载参数在设计中占有决定性的地位。与以竖向荷载为主要因素的低层建筑设计不同，在高层建筑结构中是由水平荷载起决定性作用。原因是，一方面，水平荷载产生的倾覆力矩，轴向力等均与建筑物高度呈现二次正比关系，而竖向荷载使结构产生的上述参数与建筑物高度呈现一次线性关系，从数学关系上可以看出在高层建筑中水平荷载对建筑的影响是更加显著的；另一方面，竖向荷载的值一般会稳定在一个范围内，而与水平荷载相关的风荷载和地震作用，会随着结构的改变产生较大的波动。

1.2侧移特性

侧移特性是控制建筑是否倒塌变形的重要指标。建筑高度越来越高，会使侧向位移越来越大，因此，建筑结构必须要符合更高的抗推刚度要求。如果结构的抗推刚度未达标，则容易出现房屋侧塌，墙面变形开裂，主结构构件损坏等情况。

1.3对抗震的高要求

近年来，地震发生愈来愈频繁，社会对高层建筑抗震方面的要求越来越高。计算设计、经验设计是抗震设计的两个部分。计算设计一般是基于软件的仿真参数分析而形成的。但由于地震环境的复杂性，计算仿真难以预料到现实中出现的很多情况，导致理论计算出现很大的偏差。因此就需要经验设计，凭借设计师自己以及借鉴别人的经验，对设计进行完善。

二、结构体系

随着技术的不断成熟，我国新建的高层建筑基本上都采用钢筋混凝土结构，下面介绍一些常见的结构体系。

2.1框架结构

框架结构的优点是可以实现室内平面灵活布置，符合美学概念。同时由于这项结构发展比较成熟，性价比较高，符合经济效益。它的缺点是当层数较多时抗震能力不强，在地震荷载作用下，构件被破坏的可能性大。一般来说，当建筑层数为6—16层时使用框架结构仍然是比较合理、安全、经济的。

2.2剪力墙结构

“剪力墙”又被称为“抗震墙”，承受力很强，能够显著提高建筑的抗震能力，比框架结构具有更高的“抗震”价值。在历史记录中，剪力墙结构表现出良好的抗震性能，但它的缺点是自重大，建筑平面布局局限性大。

2.3框架-剪力墙结构

这种结构是指在框架结构中适当加入剪力墙，在提高抗震性能的同时也保持了建筑平面灵活的布局。既能保证建筑的美观性，也能符合抗震的规范，有很好的整体性。这种结构适宜使用的建筑高度较高，应用十分广泛。

三、设计原则与要求

3.1合格的刚度

合格的刚度是最基本的要求，这才能保证良好的抗震能力。在设计开始之前，要对建筑周边的环境地貌，建材特性等因素进行调研，以便整体设置结构刚度，使建筑的波动受力在较小的范围内，即便建筑结构出现了小量变形，结构可以自行调整，从而保持高层混凝土建筑的整体结构，经过日常维护检修就可安全继续工作。

3.2对构件和连接点的受力情况有足够的重视

考虑完总体的刚度之后，不能忽视个别构件和它们之间的连接点，避免出现因为个别构件破坏而导致整个建筑丧失承重力、抗震作用的情况。

四、现实中存在的问题

4.1建筑高度盲目增高

不同的建筑结构有不一样的高度限制，但现在许多的高层建筑为了追求经济效益，大都存在高度过高的情况，对所选用的建筑结构，未能遵守建筑高度的限制。任何结构都有自己的承受限度，在一定限度以内抗震能力是非常优秀的，但一旦超出范围，在震力作用下，变形破坏性是非常惊人的。

4.2我国现行相关建筑抗震标准过低

我国现在的抗震标准是比较低的，通过与日本的比较之中可以看到，中国的建筑第一阶段承载力验算，取小震参数计算，而日本的计算参数相当于中国的中震；中国的建筑第二阶段弹塑性变形验算采用的参数从大震中选取，这点与日本相同，但是中国大部分建筑只需要进行第一阶段验算。日本是处于地震多发地带，抗震研究比我们迫切得多，但是随着地壳运动加剧，地震发生的不确定性增大，我国现行的抗震标准烈度过低，这也在一定程度上限制了高层建筑抗震力的提高。

4.3不重视地基选取

不同于低层建筑，高层建筑所需的承重力更大，对地基的选取应更加慎重。尤其是在大城市里面，由于人多地少，对地基的选取存在着很大的局限性，导致人们对这个问题越来越不重视。高层建筑应选择建立土地泥土坚硬密实的地方，，避免在断层、不能在存在地陷、滑坡这些有地质缺陷的地方建造房屋。

五、设计策略

5.1科学选址

在选定建筑地址时，不能局限于周围经济繁荣程度等文化经济因素，要充分考查周边的地貌环境和地质条件，避免选址在河岸、山坡、丘陵这一些抗震能力低的地带，同时也避免选址在变电站，火电厂或者石油储存仓库等地方。应该选择在土质坚实、平坦开阔的地带建造地基。

5.2优化结构设计方案

高层建筑的结构体系选择要结合建筑高度、社会效应、美学效应、造价、刚度等因素综合选择，在满足社会效益的基础上提高抗震能力。我国对高层建筑的标准中规定，建筑的主体结构不仅仅能抵抗短时间内高强度的震动破坏，还要能在强大的结构延伸作用下，能自行调整恢复到原来的状态。

除了考慮建筑主体变形的情况，还要对建筑的部分构件进行合理的布局。最大程度的协调建筑各部分的受力情况，在这个过程中，重点关注建筑的竖向结构受力情况，水平荷载以及侧向特性，使其受力均匀，建筑结构有层析，有条理，达到整体的稳定。

另外，建议要建立多道防线。所谓多道抗震防线，就是利用非主体构件的屈服来尽可能消耗的地震输入能量，从而使分摊到建筑上主体构件的破坏力降低。这样做起码可以保证建筑物不倒塌，这是维护建筑安全的最低限度。

5.3控制扭转地震效应

控制好扭转地震效应，可以有效的降低建筑的地震中的破坏程度。针对这方面，提出以下的建议：

在结构设计时，应尽量使平面对称，使整个建筑的质心和刚度中心尽量重合，降低建筑偏心扭转的风险。同时，平面刚度的分布也要均匀。与此相关的是剪力墙的设计。剪力墙的安装不要集中在某几个位置，这样会加剧建筑的扭转效应。这个做法虽然刚度是提高了，但是建筑不对称，增加了变形坍塌的风险，得不偿失。

在建筑物外围附加抗侧力装置，可以有效的控制扭转效应。具体的做法是将两端轴附近的剪力墙同时删去，改为框架结构。这种做法能够使扭转周期增大。同时还需要在外围削弱核心筒风度，具体做法是在剪力墙中心打洞，防止短肢剪力墙的出现，有效调整结构的周期比。

5.4合理设置参数

一方面，设计师要熟悉使用仿真软件，借助电脑分析，建立建筑模型，在初步设计阶段也能保证参数的合理性。对另一方面，设计师要注意完善相关高层建筑案例数据库的构建，使设计师能够方便的找到相关的资料以总结经验，吸取教训，建立合力模型，合理的设置参数。

六、总结

近年来，全球地壳运动加剧，地震发生的随机性加强，破坏性增加，这对建筑尤其是高层建筑的安全性提出了更高的要求。在对高层混凝土建筑设计时，要在以往的建筑案例中提取经验，通过合理选址，优化结构设计方案，控制扭转效应，合理设置参数等手段，建造出抗震质量达标的建筑。

参考文献：

[1]柏芸；试论高层混凝土建筑抗震结构设计[J]；门窗；2013年06期

[2]孙小华；余军；高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J]；城市建筑；2013年10期

[3]罗联训；浅论高层混凝土建筑抗震结构设计[J]；中华民居（下旬刊）；2014年06期