高层建筑结构分析与抗震设计探究

张庆博

沈阳都市建筑设计有限公司 辽宁 沈阳 110000

引言

建筑行业快速发展，为适应多样化的建筑功能需求，高层建筑的结构形式也日趋复杂多样。除传统的框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构等基本形式外，超高层建筑、复杂高层建筑、钢结构高层建筑、型钢-混凝土混合结构高层建筑得到越来越广泛的应用。建筑高度的增加和布置的不规则性给结构分析和设计带来更多复杂性和挑战性，有必要进行更系统深入的研究。

1 抗震结构设计中的常见问题

1.1 结构参数设计不合理

进行抗震结构设计的主要目的在于，在地震灾害出现时，能够降低灾害带来的经济损失。从目前的应用情况来看，结构参数设计并不满足抗震要求，并且结构应力分布不均匀，降低了结构的耗能能力。另外，还应对结构的薄弱层或薄弱构件进行加强，并对一些复杂结构进行抗连续倒塌设计。

1.2 抗震设防分类的判别

我国建筑抗震设防分类别为特殊设防类、重点设防类、标准设防类、适度设防类四个，而实际项目中的大部分建筑都属于标准设防类，规范中的定义也是大量的除其他三类以外的建筑，这类建筑我们不在过多关注。而特殊设防类、适度设防类我们在工程设计时又极少接触到，所以在此主要分析工程设计时经常遇到的一些重点设防类建筑。第一，教育建筑中的幼儿园、小学、中学的教学楼、宿舍、食堂，医疗建筑中的二、三级医院均为重点设防类。关于学校建筑、医疗建筑，有些地区又有地方的特殊规定，我们在进行抗震设计时尤其要注意。第二，商业建筑中人流密集的大型的多层商场抗震设防类别应划为重点设防类。如何判别是人流密集，条文解释为指一个区段人流5000人，换算的建筑面积约17000m2或营业面积7000m2以上的商业建筑。一个区段，指的是同一建筑功能的相关范围，与建筑功能分区及不同区段出口有关，而与结构是否分缝无直接的关系[1]。

2 加强建筑结构设计中的抗震设计

2.1 依据抗震标准，规范平面及竖向设计

平面规则与建筑物的稳定性也存在一定的联系，这是设计人员在设计过程中必须考虑的因素之一。通常情况下，抗震建筑的平面是有一定标准的，比如，凹凸口的深度与宽度，平面长度不宜过长，不宜采用角部重叠或细腰形的平面布置。因此，结构平面布置应力求简单、规则、对称，避免刚度、质量和承载力分布不均匀。对于有较多凹凸口的复杂形状平面要进行特殊设计或采用一定的补救措施，以最大限度地保证建筑的稳定性。对于抗震高层建筑的结构竖向布置，应避免过大的外挑和收进，宜规则、均匀，结构的侧向刚度也应该做到上小下大均匀变化，竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

2.2 传统抗震设计

传统抗震设计注重提高建筑的抗震承载力。目前我国抗震设计一般通过“二阶段”设计方法实现“三水准”设防目标。“三水准”即“小震不坏、中震可修、大震不倒”，“二阶段”即小震作用下弹性计算和大震作用下弹塑性验算。通过地震作用计算可实现小震和大震水准下的设防要求，中震设防要求通过抗震机构控制和抗震构造措施实现。在进行高层建筑抗震设计时，除根据建筑结构特点，应用底部剪力法、振型分解反应谱法及必要的补充时程分析地震作用计算外，还应注意强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件等内力调整措施和抗震构造措施的实现，确保建筑在较大地震力作用下能够按照设计意图实现抗震耗能和关键构件的安全[2]。

2.3 合理确定抗震水准框架

设计人员应当首先确定框架的使用需要，通常来说国外水工建筑物的抗震水准框架是根据美国标准中的地震动参数概念，最大设计地震（MDE）和基准地震（OBE）的两个参数，以及水工建筑物的地震要求来进行设计。大量国内外水工建筑结构的抗震设计实践表明，重复周期为100-200a的OBE通常在设计中无法发挥良好控制作用。因此，设计人员在合理确定抗震水准框架时，应当明确防震性能定位，以使水工建筑能够在遭遇到局部地震破坏后可以进行修复。而对于需要抗震保护的大型水工建筑物，设计人员必须进行特殊的地震安全框架设计，这一设计需保证水工建筑物在遭受极端地震破坏时，能够保证该水工建筑物避免遭受毁灭性破坏，从而保证人类财产与生命的安全，降低二次灾害出现的可能性，这就需要设计人员进行大量模拟实验，以确保该抗震标准的绝对安全性。

2.4 针对剪力墙的加强措施

为增强剪力墙的受力性能，改善剪力墙的延性，采取如下措施：①严格控制加强区墙体在重力荷载代表值下的轴压比在0.6以下，对楼板洞口周边的剪力墙适当加厚。②在较长墙肢中设置结构洞口，以减小单片墙肢的长度和刚度。③底部加强区域内，提高角部墙体的约束边缘构件配筋率，提高加强区墙体的承载力和延性。④严格控制剪力墙截面的剪应力水平，适当提高底部加强区剪力墙水平钢筋的配筋率，以提高剪力墙的抗剪承载力。⑤底部楼板洞口周边剪力墙加强平面外墙肢约束，以提高其墙体稳定能力。⑥在不影响建筑功能的情况下，剪力墙设置边框柱，并安规范要求设置暗梁[3]。

3 结束语

基于地震属于不可抗力的自然灾害，同时具备了很强的不可预估性，一旦有地震灾害产生，将会对建筑以及民众的个人安全、财产安全产生极大的影响。因此，为了可以有效降低地震的影响程度，结构工程师在建筑抗震设计时，要注意多学习多思考多总结，从结构概念到结构构件布置都有清晰的理解，如此才可以将建筑的抗震设计落实到实际工程项目中，并以此来确保设计质量得到提升，增强建设物的抗震能力，防止因为地震而造成的严重后果。