高层混凝土建筑抗震结构设计存在的问题及应对策略

□李晓社

地震作为一种对建筑物破坏力极大的自然灾害，给国家经济建设和人民群众生命财产安全造成严重损害，如2008年5月12日发生的汶川大地震，是新中国成立以来、唐山大地震之后发生的破坏性最强、波及范围最广的一次地震，遭到地震重创的国土面积达50万平方公里，造成近10万人遇难和失踪。惨痛的教训也告诫人们，必须重视建筑物的抗震设计工作，大力提升建筑抗震设计水平，从多个方面对建筑物结构进行加固处理，避免遭到地震作用后，造成更大的毁坏，确保人民群众生命和财产安全[1]。

一、高层混凝土建筑抗震设计存在的问题

(一)建筑场地选址的不正确。随着我国建筑工程项目的逐年递增，城市的土地资源变得非常紧缺。因此，有关单位和个人在挑选建筑物地基的时候，必须对地基周围的地理位置、自然条件、气候环境等是否适合建筑开发应予以了解和掌握，做到万无一失，防止有的单位违背建筑物地基应该选择土壤扎实、牢固以及平坦广阔的原则，如选择有软土或者土壤松散且分布不均匀的场地作为建筑用地，如发生地震，这种场地上的建筑物最容易出现下陷和崩塌，建筑物的主体结构会瞬间被破坏，给人民群众生命和财产带来毁灭性灾难。

(二)建筑物的结构设计不太合理。地震发生时，建筑物结构的主体框架是首当其冲受到严重破坏的，紧接着就是建筑物的主要支柱受力后会发生严重变形，由于建筑物本身的抗震强度主要依托延性结构的抗震性能，延性能力越强，抗震效果越好，所以工程技术人员在建筑物结构设计时，要充分考虑采取怎样措施来提高建筑物的延性，延性结构机制原理是把地震带来破坏作用转嫁到建筑物的其他部位，产生非弹性的形变结果，让结构的次要构件来消耗地震所产生的能量，对建筑物的整体结构保护作用明显。但是在实践操作工作过程中，建筑物的延性构件设计时经常会出现一些不尽人意的地方，如果没有合理地解决这些问题，导致地震产生的破坏还没有传到延性构件就会消失，失去应有保护作用，也就无法保证建筑物对地震能量的消耗，从而对建筑物造成破坏。

(三)建筑物的高度不达标。对于建筑物的高度问题，国家出台了许多规范和制度，并要求各个建筑企业必须严格遵守和执行。但是，仍有极少数建筑企业为追求经济利益的最大化，心存侥幸，违反规定，铤而走险，在建筑过程中随意提高建筑物的高度，超过国家明文规定的数值，致使建筑物的抗震能力大为下降，发生地震时容易造成建筑物大范围、大面积的损毁。

(四)建筑使用的材料不合理。建筑企业的采购人员应对建筑物使用的各项材料按照国家规定的标准进行合理选取，使之达到与建筑工程最吻合，以此来提高、保障建筑设计和建设的质量，混凝土核心筒技术是现阶段高层建筑设计中经常采用的方法，如果没有有效发挥其应有的作用，会造成建筑物出现变形弯曲甚至垮塌的不良后果[2]。

(五)建筑抗震设计的强度不高。目前，我国建筑抗震设计是按照GB50011-2010《建筑抗震设计规范》来进行，工程技术人员应对其中的规定、要求和标准认真领会、执行，设计出符合建筑抗震强度的标准，并采取多种措施提高建筑抗震设计的强度，实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标。

二、改善建筑抗震设计问题的有效措施

笔者结合自身多年从事抗震工作的实践认为：应该正确认识当前建筑物抗震设计过程中存在的具体问题，采取选择好建筑地基、使用合理的建筑材料以及设置多道抗震防线等具体措施来有效提高建筑物的抗震功能。

(一)进行正确选址。由于高层建筑周边的场地环境、地基等因素关系着建筑物的安全。因此在进行建筑场地选址的时候，进行地震灾害和环境评估工作十分重要，尤其对于建筑场地存在泥石流、滑坡以及处于地震断裂带等自然现象和环境要着力避免，如果在建筑过程中实在无法避开湿陷性、液化性、软弱性等特殊土壤和土层，需提前按照地基处理技术规程的相关要求对地基进行合理的加固和设计。另外，对建筑物地下的土层分布、厚度、种类和性状等状况务必要探查清楚，做好高层建筑的地质勘查报告工作，经过地基处理后的高层建筑，还应对基础和上部结构的整体性进行加强和巩固，并采用分项系数法恰当地把地震力模拟到建筑物各个受力构件，系统性提高各个构件的抗震能力。

(二)建筑结构体系的选择。在高层建筑结构设计中，结构体系不仅是受力体系，也是传递荷载的体系，关系到建筑物的安全。在开始进行结构设计时，就要把对建筑物周围的场地环境条件、内部的使用功能、选用的施工材料等一些主要因素加以综合思考与分析，这是因为在发生地震时，每个建筑物不同结构的特点，所产生的结构破坏情况也不一样。一般常用的高层建筑结构体系主要采用剪力墙、框架、框架与剪力墙相结合这三种模式。这三种模式各自具有优缺点。剪力墙结构的优点是承载力比较高，侧向刚度大，在水平力的作用下侧移较小，整体性能优良，不足之处是结构自身体积、重量等因素比较大，且进行空间布置时的灵活度、方便性较差，不能够满足比较大空间的布置需求；框架结构的优点是便于对室内的空间布局进行灵活调整，缺陷是不太适用于高层建筑，此外，框架结构主要是以剪切变形的柔性结构为主，抗震效果较差也不太明显，因此目前使用框架结构的建筑工程越来越少。目前，高层混凝土建筑物在进行抗震设计时，普遍采用将框架与剪力墙这两种结构优点相融合的模式，也就是把框架结构和剪力墙结构的各自优势发挥出来，分工协作，各负职责，互为补充，如在框架结构的最薄弱部分添加剪力墙，对提高建筑物本身的承载能力和抗震性能具有明显作用，但同时也存在一定的风险，这是因为框架与剪力墙的刚度具有较大差异性，在突然遇到外力作用下会产生大大小小、不同程度的位置移动，因此在使用过程中要特别观察和关注两者的变形协调。同时，高层建筑的内部结构构建也应以规则、简约、实用等为主，整个结构体系必须还要有足够的承载和变形能力，建筑中的每个部分是相互依存和相互配合的，共同支撑着整个结构体系，这就需要技术人员在设计过程中，根据竖向和横向结构承载能力的不同，对建筑物中的薄弱部分进行加固处理，并且进行合理布局。如高层住宅建筑对于墙体构件要求较多，适合采用纯剪力墙结构；对于大型的综合体建筑，选择筒体结构就能较好地满足其使用功能；对于超高层、超限的大型建筑工程，采用钢结构为最佳选择。总之，选取合适的结构类型并且尽最大可能满足建筑的使用功能，这是建筑设计最基本的遵循[3]。

(三)进行合理的结构设计。决定高层建筑抗震性能是结构设计必须合理。因此，在进行结构设计时，应遵循以下设计要点：一是结构对称性设计。非对称的建筑结构因为重量、重心偏离等因素，在地震作用力的影响下会产生扭转、震动等，极易导致建筑物遭到破坏，抗震性能大为下降[4]。为避免出现此类现象，建筑物设计应尽量使用对称结构。二是平面结构设计。事实证明，受到地震作用后，异性结构容易发生较大位移现象，所以尽量不要选择L形、十字形等结构。因此，一般情况下，高层建筑的平面结构设计以方形、矩形和圆形最好，一方面以简单实用为原则，另一方面也可以让地震力的传递更加明确。三是竖向结构设计。高层建筑的竖向结构设计应重视均匀性，常采用的竖向结构立面形状有矩形、梯形或者三角形。

(四)设置多道防线共同抗震。发生地震的时候，常常伴随着余震、火灾、水患等许多次生灾害问题，在突然遭遇到偶然荷载或破坏冲击荷载的情况下，构筑一道安全防御体系很难保证一个高层建筑物的安全性，有时还会导致整个体系的失效，为了防止和减少因为个别构件或部位遭受损坏而造成整个建筑强度的损毁，在建筑抗震设计时，常会采用两个或两个以上结构抗震体系，用来共同加强对建筑物的防护作用；而对于地震来临时会产生较大作用力，建筑结构的设计应具备一定的变形能力，用来削减地震的作用力，对于建筑房屋中薄弱环节的抗震能力更要特别注意加强，不要因为薄弱环节的损坏而影响整体建筑抗震功能，实际上将建筑抗震设计与建筑设计相结合的做法就是保证结构整体性的体现，结构之间构成一个整体效应、各部件之间的共同作用能够有力地抵抗地震的破坏力，达到较好的抗震效果；还有各部件之间的可靠连接也能提高建筑物的抗震及抗变形能力。在高层建筑设计时，剪力墙作为竖向受力构件，为最大限度地保证结构构件的冗余度，比较适合选择采用“大分散、小集中”的方式。另外，高层混凝土结构还必须要求主要受力构件具备较高的延性和刚度，因此，建立完整的结构屈服体系也十分必要，目的是第一道防线在遭到地震损毁的情况下，还有第二、三道的防线进行保护[5]。

三、结语

总之，通过对高层混凝土建筑抗震结构的优化设计，可以极大地满足提升人民群众生活质量的需求，对于保证人民群众的生命安全、减少地震造成的财产损失具有一定的积极作用。工程设计人员应加强对建筑抗震结构知识的了解，经过详细的分析和计算，设计出符合抗震要求的高层混凝土建筑结构。