探索高层建筑结构设计中的抗震设计

刘智文

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

1 高层建筑结构设计中抗震概念设计的意义

概念设计的思路是将理论与实际计划相联系，最后形成概念的基本原理。根据该基本原理，对整个工程进行总体的抗震规划。由于楼层越高，结构的抗震设计就越是困难，其结构的受力计算也就变得越不稳定，而且在发生地震时，这种不确定因素就会被激发出来。从本质上来说，由于对地震产生的年代和破坏机制认识不够透彻，且有些建筑在建造时会受到气候的影响，在进行地震仿真时会出现偏差，所以在进行地震仿真时，会出现大量不完整的资料，这就给高层建筑带来了巨大的危险。大多数的概念设计问题都是以计算资料为基础，再加上一些实际经验。众所周知，概念的设计方案在结构上作用要大于对数据的计算。正因如此，在高层建筑中，抗震构造总是备受关注。防震结构概念设计与一般的建筑物不同之处，在于可以避免由计算错误而造成更大的风险[1]。

最重要的是，在对高层建筑进行抗震结构设计时，标准和要求是非常高的，设计师们一定要在结构上严格要求进行设计，并且要因地制宜对抗震设计进行多种多样的更新，从而更加安全和可靠。

2 抗震概念性结构设计方案的原则

建筑物的地震反应有很多方面的需求，例如：建材的组合，材质的特性，以及部件的组合与延伸。对于房屋的脆弱部位，也要采用强度较高的材质和较强的抗震构造（图1）。另外，也要考虑到不同的防震建筑，要用合适的材料来加固。正如在框架与管式组合的结构中，必须要有足够的耐震能力，而且需要更好地调节其剪力墙与框架。这种方法可以让框架-筒体更牢固，在地震时能够抵抗震动，把刚体与挠性的结构紧密的融合起来，从而达到适度缓冲地震的能力。这也是为什么建筑能够承受更高等级的震动的原因，不同的防震结构，可以将它们完美的结合在一起，起到相辅相成的效果[2]。

图1 抗震构造柱

2.1 整体性

在进行设计的过程中，要从建筑的整体来进行设计，就像低层建筑和高层建筑都需要考虑的，把每个结构紧密联系在一起，从而在地震时可以将地震能量分担到每一个结构中，降低各种结构单体的受力，在这个过程中，还要保证建筑的每一个材料和结构都有足够的强度和韧性，这样才能有更好的抗震效果。

2.2 抗震结构

在设计抗震结构时不仅需要考虑建筑整体的构状，还需要考虑各种抗震结构的清晰明了。在考虑整体之后，还必须依靠结构清晰的原则，这样才能在这个庞大的设计体系里面维持各种构件的功能性，对结构之间的功能有一个良好的连接，和遇到问题时能够迅速弄清问题出在哪里，保证了建筑抗震的便携性和有效性[3]。

2.3 使建筑具备刚性和稳定性

在建设施工中还需要考虑建筑结构的稳定性，也就是对构件刚性和柔性之间转化和转移的考虑。在考虑这个问题时，第一就是要思考构成整体建筑的构件之间是否能有效减缓地震的能量并且本身的结构不发生破坏和改变。这是一栋高层建筑最基本的设计思路和必要功能。

2.4 建筑结构规则性和均匀性

不仅有上面的考虑，还需要对一栋建筑的防侧移功能进行测试和设计。一个建筑中不仅有垂直防塌陷要求，另一个不可忽视的是建筑的防侧移要求。因为高层建筑的基础和低层建筑相比不可避免的基础结构相对有所薄弱，所以保证建筑直立要求后，也要满足建筑的防侧移要求，使得在设计时考虑更多的规则性和均匀性，这是在设计高层建筑时不可忽视的一点[4]。

3 高层建筑结构抗震设计的主要特点

3.1 建筑结构的平面布置

在高层建筑抗震措施中，建筑结构的平面设计常常是一个关键环节。所以，在建筑的布局中，必须进行创造性的、合理的规划。规则结构能够精确地预测结构的地震响应和结构的影响，从而使其具有更好的抗震能力。而非对称结构的平面布局较为复杂，其地震作用难以评价。因此，为了确保整体的抗震能力，应采取结构规律性的平面布局。

3.2 建筑结构的体系选择

在高层结构的结构设计中，结构-剪力墙、剪力墙、圆筒结构是结构抗震的首选结构形式。当高层建筑的层数较少时，其最合适的构造形式为框架式；在同一幢楼高相同的情况下，框架结构、半柱剪力墙结构是最合适的。但是，许多地震具有较高的强度、较大的破坏性、较长的时间和较频繁的往复次数，将对高层建筑的损害和人身安全构成威胁。这三类建筑物在地震中的重大损伤，将对其所承受的震害能力产生难以估计的损害。一旦第一道防线被攻破，就会对后面的防御造成很大的影响。建筑的最小化不但可以避免大楼的坍塌，而且也会使整体的抗震设计发生变化。所以，在整个抗震设计过程中，高层建筑物的抗震设计是必不可少的。

3.3 结构薄弱层

许多情况下，高层建筑的楼层会不会发生突变，直接影响到建筑物的软弱层抗震能力。当竖向抗侧力构件不再是连续的情况下，由于横向刚度分布的不均匀，楼层的承载力较弱，使受压部位逐渐增多。所以，要准确地判断出薄弱层的变形程度，就必须有针对性的、有意识的判断和分析。

4 抗震结构概念的应用

4.1 项目概括

某建筑工程的高层建筑结构层数为10层，工程建筑的高度是30m，按照规定的使用年限50年进行建造，工程建筑所在地区的风力压力平均为800N/m2，并且这个地区的地震防护等级为6级，建筑抗震性设计为C等级。

4.2 中震下防震性能测定

在进行防震性能的测定中，不可避免的需要计算机进行数据的测定并且定下在中震状况下的防震标准，从而对建筑的稳定性进行测定。在进行测定建筑稳定性的影响因数中，利用SATWE软件来测定并分析其影响因数最大值。中震情况下，这个软件测定方法和小震的方法差不多，但是将影响因数最大值改为小震的2.8倍，并且按照理想情况下取消内力之间的调整系数，就是将受到强力的框架柱和受到弱力的框架梁以及受到强力的框架梁和受到弱力的框架柱这两种极端情况取消，直接将框架之间的系数调整为4级。在其他的系数不变的前提下进行中震下的防震测定。

4.3 中震下结构构件性能测定

首先要考虑框架柱的结构测定，因为这个结构会在地震中受到剪切力和框架之间的减缓能量现象，若是在地震中框架柱结构还是处于弹性状态，那么此性能合格。之后是框架梁结构，在中震的状况下框架梁处于弹性状态，并且仅有一少部分达到最大弹性范围，因此可以见到在中震状况下，框架梁满足设计的要求。

4.4 合理选择建筑的材料以及结构

为了确保建筑的材料良好，且结构具备合理性，在确定建筑选材时，应该首先考虑到建筑的防震性能，使其能够维持建筑的整体稳定性。在进行选材时，考虑到不同地区的实际需求，选择具有更高承载能力以及抗弯能力的材料类型（图2），在建筑的纵向支撑结构中，通过运用更高承载能力的支撑材料，可以确保建筑物具有更好的抗震效果，在进行结构设计时，可以应用三角结构来替代传统的框架结构，从而提升综合抗震效果。

图2 抗震减震材料

5 提高建筑物抗震能力的有效措施

5.1 选择有利场地

地震灾害是由多种因素引起的，而地震发生的地点是一个重要因素。在不同的工程地质情况下，不同的地点，不同的震害对房屋的损害有很大的差异。所以，在施工场地选址时，要根据施工现场的具体要求，尽量选取对建筑物的防震性能更有利的区域，如果无法避免，就采取相应的防震加固措施，避免在地震灾害发生的区域内建设会造成人身伤害和财产损害的建筑物。

5.2 优化平立面布置

建筑物的平面外形要有规律，立面外形要简洁。建筑物的动态特性主要是由其建筑的规划与构造安排决定的。在建筑物设计中，只要设计得简洁、合理，按照地震规律进行结构的排列，就可以基本地确保建筑的抗震能力。在结构上，每个单独的单位和整体的结构都要做到质量刚性的对称，使得它们的中心和中心的偏差非常少，或者是全部一致。另外，在垂直方向上，结构的刚性和重量也要一致，只有简单、规则、对称结构才能精确地进行抗震分析。

5.3 建筑结构抗震体系的合理选择

在建筑物的结构设计中，如何正确地选取结构的地震系统，是进行地震反应时必须认真研究的问题。另外，房屋的抗震设计方案的选取也是影响其安全、经济的关键问题[5]。

（1）为了防止建筑物的结构和部件的损坏使整个房屋的抗震性能下降，从而产生整体的损坏。在建筑物的设计中，一个关键的设计准则就是：在建筑物的受力、变形和协调性以及没有显著弱点的情况下，能够很好地在地震时起到很好的作用。就算有些部件已经脱离了工作状态，剩余的部件仍能经受住负荷，避免结构失去平衡和破坏。

（2）在建筑物的结构系统里面，必须有清晰的、正确的传震路线。清晰的传递路线，确保各部件在结构的抗震加固中能够高效地衔接与承重。在此基础上，要尽量保证构件在垂直方向上的受力，尽量减小垂直不连续性的发生。

（3）建筑物的构造系统必须具有足够的刚性和强度，并且具有良好的刚性布局和均匀的布局。在结构抗震设计时，考虑到结构在地震作用下的局部破坏和变形，从而使结构受到较大的破坏。所以，在建筑物的结构设计中，应对其进行加固，并采用适当的加固方法，以达到合理的强度与刚性，从而达到整体的刚度均衡，增强建筑物的整体地震性能。

5.4 对结构荷载进行恰当的处理

在进行结构设计时，应严格按照强弱协同的设计原理，适当地提高墙、柱等节点的强度，同时减少梁及弯、拉力中心等构件的受力。在此基础上，考虑到构件的受力性，应尽量减小构件的受力，以防止构件过早地断裂。同时，在特定的规范中，设计者应在适当的限度之内，对每个构件的载荷进行适当的调节。

5.5 对结构的自重进行弱化

当基础条件不变时，设计者应考虑房屋的抗震性能。只要将结构重量减小，就可以适当的提高楼层数量，从而达到更好的造价控制，而在软粘土基础上，效果会更为显著。此外，房屋的结构也会对地震的效果产生直接的影响，当建筑物的数量太多时，其震害就会更大。通过采用轻型材料降低结构自身的重量，使其达到最佳的设计效果。在进行结构的设计时，应对结构重量与层数的比例进行适当的调整，以确保结构的经济性能和结构的安全性能。

6 结语

综上所述，由于我国城市人口不断增长，城市化建设不断加快，高层建筑成为当下时代发展的主流建筑趋势。对于城市高层建筑结构设计而言，必须要对其抗震概念设计进行有效融入，只有这样，高层建筑物在遭受到突发地震灾害时，才能够有效保障人们的生命财产安全。