高层住宅建筑结构的抗震优化设计策略研究

文／凌园园 中联西北工程设计研究院有限公司 陕西西安 710076

引言：

随着社会的高速发展和经济的快速增长,人们对建筑工程行业的要求也日益提高。我国属于地震频发国,地震有着极强的突发性、随机性、不可预估性,给人们的生命财产和安全造成了巨大的威胁。一旦发生地震,其造成的损失是不可估量的。对于地震,有效预防的效果和意义远远大于震后重建。当前,每个国家都在不断改进建筑物的结构设计,对高层住宅建筑中的抗震设计进行优化是必不可少且行之有效的途径。提升高层住宅建筑的抗震性能能够带来许多益处,不但能大大提升建筑物的抗震水平,还能最大限度地保证公民的生命财产安全。

1、高层住宅建筑抗震结构设计原则

1.1 结构简单化

高层住宅建筑工程的结构设计对整体性能至关重要。在设计时,设计人员如果没有科学依据且不对工程项目的整体布局进行研判,就会导致结构设计不合理等问题,给建筑项目带来一定的隐患——有时轻微震动也会造成严重后果。多种多样的地形地貌地质和变化莫测的自然环境都会对建筑工程产生不同程度的影响。如果建筑工程的结构设计不能解决这些问题,无法与周围的客观环境达到平衡,不仅会导致抗震性能低下,而且会极大地缩减建筑的使用寿命。因此,高层住宅建筑工程中的结构设计至关重要。将结构设计进行简单化处理,能有效提高建筑物的稳固性和安全功能,也能更精准地测算出建筑物倒塌的后果,提高抗震设计的精准性。因此,结构简单化是设计人员需要遵守的设计原则之一。

1.2 设计科学合理化

为有效提升建筑物的抗震能力,设计人员应时刻牢记坚持科学合理化的设计理念。设计工作初始阶段,设计人员要对建筑物周边的情况展开详细而深入的调研,经调研结果分析后开展设计工作。也就是说,设计人员应从大局着眼,保证整个建筑设计的完善与合理性,又需兼顾细节,全面提高建筑物的抗震防震效果。

1.3 结构适用性原则

我国经济飞速发展，城镇化进程不断加快，建筑工程的规模也在这样的趋势下逐渐高层化，如此一来人口的密度变得越来越大，一旦出现地震等灾害就会造成非常巨大的损失。抗震设计已经成为国内建筑结构设计中意义重大的一个环节，尤其是针对高层住宅建筑的设计，更需要把抗震的问题摆在所有问题的前面来处理。“小震不坏，中震能修，大震不倒”是我国高层住宅建筑结构设计的基本要求，结合不同地区的地质特点和建筑物高度类型等基本要素，在尽量降低成本的基础上强化抗震效果。对于板块交接、地震频发的地区，在建筑物设计的过程中应该尽可能设置抗震的多道防线。例如，利用框架剪力墙结构在地震发生时作为抗震的第一道防线。因为剪力墙的侧向有较强的刚度，能够对建筑起到最大的保护，框架结构在剪力墙的基础上能够削弱地震对建筑结构的影响，起到“卸力”的效果。在目前应用的高层住宅建筑抗震体系中，核心结构和框架结构应用得较多，针对中大型地震可以降低房屋坍塌的几率，是抗震设计的精髓。

1.4 结构体系清晰、平面立面设计简单

结构体系清晰、平面立面设计简单,是设计师在设计高层住宅建筑建筑物的防震抗震结构时一定要遵循的原则。设计方案要确保整个结构框架的科学合理——平面结构要平直顺滑,且应规避转角处有较大突变的情形；每个横梁、立柱受力均匀；建筑物各个主轴的动力方向保持一致。简洁的结构更容易看出设计中抗震最薄弱之处,针对此处采取有效的改进措施,有利于最大化地发挥建筑物的抗震功能。

2、高层住宅建筑结构的抗震优化设计策略研究

2.1 更新设计理念，加大抗震结构设计重视力度

在高层住宅建筑结构设计及抗震结构设计中，最为关键的影响因素就是设计人员，如果设计人员不具备专业能力，不具备明确的抗震理念，在设计中很难将抗震与建筑结构融合起来，这样在地震灾害发生时，就会因为抵抗能力不足而出现各种问题，威胁建筑及人们的安全。为此，设计人员需不断提高自身的专业能力和职业素养，根据建筑行业发展趋势做好理念的更新和优化，加大对建筑抗震功能的重视力度，采取科学有效措施完成抗震设计，确保建筑结构安全。高层住宅建筑具有规模大、工期长、设计精准度高等特点，故而设计人员在处理时应做到全面分析和考量，制定针对性的设计方案，更好的指导施工作业的开展。抗震结构设计作为其中较为重要的一环，设计人员应加大对其重视力度，转变传统设计思想，注重数据资料的收集和处理，完善设计内容，增加结构强度，进而减少地震灾害带来的破坏，保障工程的整体效果。再者，还应该充分利用网络资源对抗震结构设计进行深入分析和探讨，了解地震带分布特点，掌握板块运动规律，不断完善抗震结构设计内容，符合高层住宅建筑结构设计的相关要求，提高建筑整体水平，延长建筑使用寿命。设计完成后，还需开展专项评估和检测，确保抗震设计符合工程的建设要求。抗震结构的不同其产生的作用也存在较大差异，设计人员应重视这一点，并选择合适的结构种类，确保最终设计的合理性与科学性。

2.2 抗震设计以建筑结构功能为基准

当地震突发时,震源处会聚集很强大的震波。如果建筑物距离震源很近,那么震源波对建筑物的冲击和危害也是巨大的。因此,如果以历史数据中震级最高的地震为参照,如何将震源波对建筑的冲击降至最小、如何将地震对建筑内部结构的破坏降至最低,是抗震设计人员要认真思考的问题。需要注意的是,建筑物的底部结构需具备更高的抗震性能,这是为了确保在大地震过后建筑物结构可以在安全的区间范围内维持稳定。另外,风压强、降雨等自然因素也会对高层住宅建筑结构的稳固性、安全性、耐久性造成不同程度的影响与破坏。只有综合考虑多种因素,全面分析,才能设计出抗震能力符合标准的建筑。常规的钢筋混凝土结构对混凝土的构造尺寸是有详细的要求与说明的,设计人员应选择较小的配筋率满足建筑结构的抗震需要。除了根据规定限制建筑物层高和层数外,对建筑横纵墙中的钢筋混凝土也要设计出能满足实际使用需要的防震缝。为提升建筑结构的承载能力,设计师将屋顶的楼梯、电梯外延至楼层顶部,且与圈梁相连接,将整个建筑的主体结构框架与重点部分相融合,从而充分体现设计的独到之处。

2.3 优化高强高性能混凝土材料

混凝土是当前常见的建筑材料，主要是指利用凝胶材料将集料胶结成整体的工程复合材料，广泛应用于各类建筑施工中。以下主要对高强高性能混凝土高层住宅建筑结构的整体设计思路、结构体系性能设计进行论述。就传统的混凝土设计构件而言，随着人们对建筑抗震要求的提升，以及相关指标要求的进一步明确与细化，传统的混凝土设计构件已无法满足相关规范对建筑结构的变形能力和高强材料延性的要求。在混凝土构件设计中加入“钢”材料，利用高强高性能混凝土-钢组合结构体系提升其变形能力和构件的延性。与其他材料相比，钢筋与混凝土线膨胀系数更为接近，两种材质间具有良好的黏结力，能有效贴合，且混凝土中氢氧化钙能为此组合材质提供良好的碱性环境，利于钢筋表面钙化保护膜的形成，对高强高性能混凝土-钢组合结构体系有保护作用。同时，钢材的抗拉强度较高，普遍在200MPa 以上，以高强高性能混凝土-钢组合结构体系为基础的混凝土-钢组合梁已成为当前应用范围较广的一种新型梁，此结构设计方式在有效承担梁底拉力的同时，能为梁部及以上结构提供支撑。且基于钢的材料优势，在当前的建筑结构设计中，多将高强高性能混凝土-钢组合结构体系作为建筑结构的承重骨架，并作为结构体系中主要的抗侧力结构，有效承受地震作用、风荷载产生的大部分水平荷载及外框架的竖向荷载。综上，同传统混凝土相比，高强高性能混凝土-钢组合结构体系能进一步提升其整体构建抗震能力。

2.4 明确设计指标

在开展高层住宅建筑结构设计中抗震结构设计时，为加强设计的合理性，保障建筑结构的安全性，提高工程的价值，需要对抗震结构设计理念进行深度了解和分析，根据现今发展实况及具体要求，开展适当的创新活动，从而更好的指导设计人员工作，转变传统设计思想，加强设计的有效性，达成最终的工程建设目标。在抗震结构设计中，设计人员需开展现场勘察，收集齐全的数据资料，明确设计指标要求，并以此为基础更好的规划设计方案，提高建筑结构抗震等级。在设计过程中，指标参数的确定要做到科学合理，要考虑到可能发生的问题及带来的影响，切实增大建筑结构承载力、强度和刚度。另外，在设计指标确定中，还应考虑到国家现有规范标准，全面分析地震作用力对建筑的伤害等级，以此为依据，完善抗震结构设计方案。此外，在设计过程中，设计人员还要树立全面管控意识，从多方面展开考量，注重设计的合理性、可靠性。

2.5 大变形能力节点

装配式结构间节点的有效衔接与固定对提升高层住宅建筑整体抗震能力有重要意义。所以，在节点衔接方法设计与选取的过程中，使建筑结构在遇到大地震后，阻尼器充分发挥耗能作用的条件下，结构节点不会出现较大的变形与损坏，且需具有震后易修复的优势，以便于对建筑体系进行震后修复，保障整个建筑体系的安全性。在常见框架间节点衔接、固定方式中，无黏结预应力筋拼接节点主要是指预应力筋在节点内与节点两边一定范围内与混凝土无黏结，优势是在大变形后仍具有较好的弹性，且强度、刚度衰减较小，残余变形较小，拼接节点耗能也较小。黏结预应力筋拼接节点与无黏结预应力筋拼接节点相反，节点同混凝土有黏结，优势在于延性和变形恢复能力更优。后浇整体式节点能进一步提升节点抗剪强度，对提升节点强度、改善耗能、提升变形恢复能力均有重要作用，有助于推迟破坏发生，提升节点承载性能，若遇大震，有助于延长建筑内人们的逃生时间。随着工艺的发展，有关人员提出螺栓连接节点这一连接方式，主要适用于梁端采取设置加宽扩大段、预埋钢套管等措施，在节点连接过程中，用高强螺栓进行无黏结式连接与固定，此方式具有耗能低、节点钢化退化慢、变形能力好等优势。所以，在实际设计过程中，需要根据高层住宅建筑的地理位置、施工成本、高层住宅建筑设计要求等，选取更科学、适宜的节点连接方式，以保障高层住宅建筑抗震能力。

2.6 切实提升建筑物的抗震强度

在高层住宅建筑结构的抗震过程中，建筑物的刚度、强度都发挥着非常重要的作用，将地震给建筑物带来的损害进行合理分流，会切实减轻地震对建筑物的危害。地震发生时，建筑物刚度、强度都会抵抗一部分地震力，要分流这些地震力，让建筑所有的结构一起承担地震力，以防地震力作用于某个点而给建筑物的这个点带来伤害，进而发生局部崩塌，最终也会严重影响整个建筑物。地震力分流对提升建筑物的抗震性能有非常积极的作用。设计建筑结构时，既要考虑建材的质量等相关问题，又要考虑工程的实际承载性，与此同时，还要兼顾建筑物的荷载力，在设计阶段，肯定会有薄弱的环节存在。我们要高度重视薄弱环节的设计工作，对薄弱环节要有更多地保护措施，加强对薄弱环节的建设，以有效提升薄弱环节的承载力。建筑物进入到施工阶段以后，仍需强化施工的薄弱环节，这样，建筑物的整体抗震性能才能得到极大地提升，进而为人们的安全居住提供了必要保障。

2.7 根据实际情况确定合适的建筑形式

随着建筑行业的繁荣发展，也延伸了多样化的建筑结构形式，砖混结构、钢结构、框架剪力墙结构、混凝土结构等都是常见的建筑结构形式，这些建筑结构形式有着各自的优势和不足，抗震性能也有很大的不同。因此，在设计高层住宅建筑结构时，需要根据实际情况，将建设区域地震的发生频率和抗震等级考虑进去，确定合适的建筑结构形式，提高建筑结构的安全性能和抗震性能，确保人们的居住安全。同时在设计过程中，需要建立科学合理的地震受力模型，合理分析、准确计算结构受力情况，确保建筑结构的所有承重构件符合抗震设计要求，这样才能提高抗震设计效果。外界条件相同的情况下，如果高层住宅建筑采用的是砖混结构形式，那么它的抗震性能要比混凝土结构形式差一些。具体原因为，砖混结构的主体承重材料是砖砌体，这种材料结构强度和硬度不够，容易破损，而且砖体结构重量过大，在地震作用下，高层住宅建筑的破坏程度大大增加。混凝土结构的主体承重材料主要是混凝土，使用的是轻质材料填充墙体，整体的重量是远远低于砖体结构的，这样一旦发生地震，它的稳定性、抗震性就要高于砖混结构。目前，国外常用的建筑结构形式是钢结构，这主要是因为钢结构生产、施工便捷高效，而且钢结构的抗剪性能、抗压性能优异，同时具有较好的强度和延展性。此外，钢结构材料能够实现循环再利用，绿色环保，抗震性能、防火性能优良。框架剪力墙结构也是不错的选择，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，拥有较大的刚度，即便是在水平地震力作用下，整体结构也能保持较强的抵抗变形能力。

2.8 优化高层住宅建筑钢结构抗震设计

钢材料相较于传统混凝土材料具有多方面的优势，如质量较轻、较理想的弹塑性、较突出的机械性、可循环利用。正是凭借着以上诸多优势，钢结构建筑已经广泛应用于很多行业，尤其是工厂建设中。经过多年应用，钢结构建筑另一优势逐渐显现出来——抗震性。在设计钢结构建筑时，需要严格遵守国家规范标准，将抗震结构设置方式和方法明确，从而最大限度地保障建筑钢结构的安全性。在相同荷载中，钢结构构件比传统钢筋混凝土结构界面尺寸小、厚度薄，这是其突出的优势。但是钢结构也可能受到多方面因素影响发生稳定性不足、结构失稳等不良现象。为了妥善处理钢结构失稳问题，设计人员需要深入分析每个构件，进而推演整个结构稳定性，提高计算准确性，保证整体钢结构设置科学合理。另外施工材料在很大程度上影响建筑钢结构施工质量。市场上的建筑材料质量鱼龙混杂，采购时对产品性能及质量了解不深入，入场抽样检查、材料保管不到位等原因，导致使用的材料存在质量问题。因此需要从产品采购、质量检查、材料保管等多个环节加强材料质量控制，确保材料能够满足钢结构建筑的质量需求。设计人员还要科学地分析受力情况，平衡好各个结构部分、各种材料的受力情况，对钢材的受力性能认真检查。合理选用焊接工艺，加强焊接质量检查，确保有机地连接各个构件。保证一旦发生地震能够迅速分散各种应力，提升钢结构建筑的总体承载力，确保建筑抗压、抗拉能力达标，均衡受力情况，提高建筑钢结构整体安全性。

结语：

综上所述，为加强高层住宅建筑结构的稳定性和安全性，应加大对抗震结构设计的重视力度，根据现有规范要求及建筑特征，对建筑结构抗震性实行科学规划和处理，提高结构刚度、强度、承载能力，科学选型、选址，保障建筑安全性，降低地震灾害带来的破坏和威胁，在提高建筑质量的基础上，为人们营造安全舒适的建筑空间。与此同时，抗震结构设计水平的优化也是推动整个建筑行业持续前行的关键，值得相关人员加以重视和探讨。