抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用

雷超智

北海市祥泰建设工程质量检测有限公司 广西 北海 536000

引言

我国在地理位置上来说也是一个多地震的国家，地震区域主要位于中国东部、西部及西南部，也就是地图上的环太平洋及欧亚两处的地震带区域。我国历史上发生过上千次破坏性地震，其中破坏性强的地震有几十次。面对日益增长的高层建筑和超高层建筑，为保障人们的生命财产安全，加强抗震设计具有重要意义。

1 高层建筑的震害

1.1 不同烈度地震作用下建筑的震害

表1统计的是1976年的唐山大地震时期该地区的房屋损害程度，并且此时的建筑大部分是高层建筑结构的砌体建筑。由该地区所处的地理位置可知，此地的建筑在设计时能够承受的地震级别在7级，但实际发生的地震达到了8.5级；表2表示的就是该地区在七级以上地震上面房屋出现的毁坏程度。

表1 建筑的震害统计（%）

表2 7度抗震设防的74年通用住宅震害统计（%）

1.2 不同用途、不同层数建筑的震害

表3为8度地震后不同用途高层建筑震害统计表。由表3可以看出，三种建筑的水平墙间距都比较大，住宅、医院以及中小学教学楼等建筑遭受损伤的比例远高于水平墙间距密集的建筑。

表3 住宅、医院及中小学教学楼震害统计（%）

1.3 不同层数建筑的震害

地震后不同楼层建筑的震害统计见表4。由表4可以看出，在二层、三层及四层以上的楼层建筑时所承受的抗震能力不同，其房屋损害对应数据分别85.9%、91.7%和97.9%。从数据对比中可知，若是建造的房屋楼层越高，对地震的抵抗能力就越弱，房屋被损害的程度也随着层数的增加而增加。基于此统计结果能够发现，加强高层建筑的抗震设计尤为重要[1]。

表4 不同层数砖房的震害统计（%）

2 高层建筑结构的主要震害特征、影响因素

2.1 高层建筑的主要震害特征

2.1.1 被破坏的墙体。地震时墙体被破坏主要因素就是强本身所有的抗剪承载力不强，所以面对震害砖墙就无法承受外力的冲撞，出现裂缝。若是墙体在高宽度上的比例接近1，则会使得墙体出现X型裂缝，若是墙体高宽对比值较小，就会在墙体中间开始裂缝，同时在房屋的四个角处受外力出现的是双向斜裂缝。并且随着震动越来越剧烈，就会使得建筑结构被破坏的程度越高，最终导致楼房出现坍塌现象。

2.1.2 窗墙和墙垛的损坏。窗间墙因为建造的比较细高，当承受外界的震动及墙体之间的剪力就会出现水平方向的裂缝。

2.1.3 纵横墙处接连出现裂缝。墙体在内外墙相连接的地方比较薄弱，若是受外力作用就会出现竖向的裂缝，从而导致纵墙墙体结构出现倒塌或者倾斜状态。

2.1.4 若是楼梯间或者房屋的通道结构受到外力时，就会因为墙本身的承受能力下降出现塌落现象。

2.1.5 也存在部分房屋结构如窗台或者横墙门洞等结构处因为外力出现整体性的受损弯曲。

2.1.6 在房屋整体结构中的附加墙体会因震害出现倒塌现象。

2.2 高层建筑抗震性能的影响因素

高层建筑的房屋面对震害出现问题的原因有很多，对各种震害进行总结可归纳为以下两点：一是在高层建筑的建筑中，其本身墙体没有足够的抗剪承载力，使得墙体面对震害的时候容易出现裂缝，从而导致建筑体局部出现塌落；二是建筑整体结构布局不合理，使得内外墙、楼板等等位置的墙体联系性不高，致使整个房屋对地震没有抵抗能力，面对震害容易出现墙体的倒塌。所以在后来若要建造高层建筑的房屋，就需要考虑上述两种因素，使得建筑整体结构得到合理布局，在改善墙体的抗震强度，最终达到抗震的目的。

2.2.1 平面、立面布置是否规则。从震害对高层建筑房屋的损害调查中可知房屋最好还是设计成长方体，这样受力会比较均匀，不会有太多的薄弱环节，遇到地震受到的损失较少。所以建造高层建筑的房屋时选择平面结构，其中以矩形结构为最佳，其他平面多多少少会由于扭转及应力集中等因素导致受到震害的程度增加。若是复杂型的平面结构，则会出现立面震害损失，就如同局部突出的结构，就会因为一点震害受外力影响坍塌。

2.2.2 房屋高度和高宽比。从高层建筑的震害调查中可知，若是高层建筑房屋中没有钢筋支撑，楼层越多导致高度越高，最终遭受地震时受到的损失也就越重。从上述的表格4中也能够知道地震中各种楼层建筑的受害程度。经过抗震规范及其高层建筑的研究分析可知，建造高层的建筑时需要对房屋的高度与宽度进行计算，使得它们保持在一个合理的比例中，从而使得建筑整体能够增加对震害的抵抗力。

2.2.3 房屋结构体系是否合理。研究房屋体系对地震的抵抗能力可以从高层建筑的房屋入手，从而研究出能够提升房屋对抗地震的能力。

2.2.3.1 房屋建造采用横向承重墙体或者纵横向墙体。对于具有纵墙承载力的高层建筑，由于楼板侧面不埋入横墙，一小部分横向地震作用通过楼板侧面直接传递到横墙，其中大部分通过纵墙和横墙的接口通过纵墙传递到横墙。震害经验表明，这种结构体系的房屋能够在一定程度上抵御地震时刻造成的损害，这是因为此体系侧向上很少开孔，使得抗震能力增加。

2.2.3.2 纵横墙的布局。在建筑中建造纵横墙的时候需要将墙体结构建造的均匀一些，使得平面及竖向结构上都保证均衡。这是因为砖墙平面的平整减少了砖墙、楼板等位置的受力，从而使得这些位置震害时受损较少。

2.2.3.3 楼梯间结构的设计。设置楼梯间时应该避开建筑的尽端或者转角，防止出现水平地震时其横向和纵向两个方向上的墙体出现裂缝，从而导致房屋的四角也容易遭到破坏。

2.2.4 抗震横墙间距。高层建筑中砖墙处于平面结构时，其内部能够承受的抗剪承载力较强，外部与之相反，若是内外墙之间的差距过大，就会使得两墙之间的楼板受外力产生弯曲。因此，水平墙的最大间距应根据该地区的地震烈度以及建筑物和屋顶的类型加以限制。

2.2.5 局部尺寸是否得到适当控制。在设计房屋的时候，若是其局部尺寸把握不好，就会对局部造成一定的破坏，但不会影响整体结构，不能否认的是，局部出现问题就会使得整个建筑的抗震能力减弱。并且若是重要结构体的局部出现问题，则会产生多米诺骨牌式的连锁反应，比如每个按钮都会形成冲破，然后整体坍塌。所以针对房屋的局部尺寸问题我们需要考虑以下四个因素：对承重窗进行设计时需要考虑窗间墙的最小宽度、承重外墙的最外端到达门窗洞边这段距离的最小值、非承重外墙的外端到达门窗洞边需要控制的最小距离，以及其内墙体处的阳角处到达门窗洞边所能设计的最小距离[2]。

3 高层建筑结构设计中的抗震设计优化

3.1 加固层的综合抗震设计优化

每层的综合抗震能力指数不应小于1.0，即：经各种加固技术加固的楼层的综合抗震能力等于或大于《建筑抗震鉴定标准》的要求；某一楼层的综合抗震能力指标不应超过其下级指标的20%。抗震加固应从提高建筑物整体抗震能力入手，防止抗震加固中局部刚度突变；当上部综合抗震能力指标超过下部指标20%以上时，应同时提高下一层的抗震能力。由于地震作用是通过各种抗震构件层层传递的，上、下层墙体软弱，形成软弱层，不利于抗震。

3.2 非承重墙和自承重墙结构抗震设计

非承重墙和自承重墙的抗震能力不能超过同一楼层承重墙的抗震能力。由于承重墙直接承受从楼板传来的竖向荷载，如地震中的早期破坏，会危及整个房屋的承重重力荷载，这是非常不利的。

3.3 非刚性材料结构抗震设计优化

对于非刚性材料结构的建筑，若是进行抗震建设时只是运用砖柱、纵墙及其墙垛等等建筑结构来抗击地震，就需要对这些结构进行竖向或者其他结构的支撑构件体系，从而使得各抗震部位得以加固并提升变形抗压能力；若是非刚性材质的木屋就需要添加大间距的抗震墙，从而增加物体结构的抗震性能，或者最好将木屋盖换成浇筑的混凝土结构。

3.4 高层建筑结构抗震加固设计优化

3.4.1 针对高层建筑，若是加强抗震能力就需要对建筑结构的不符合要求的墙体进行拆除，或者对出现问题的结构进行修补维护，从而达到增加抗震能力的目的。

3.4.2 若是建筑本身不符合抗震加固的操作，就需要在平面的结构中增加墙体使得建筑结构成为封闭墙体；若是纵横墙出现连接不畅问题，就需要添加钢拉杆、长锚杆或者附加柱体积圈梁等结构，达到此墙的抗震目的；若是建筑物中的构件不符合抗震要求，就需要对构件进行修改，或者增加托梁等等来达到对屋面结构的修整；建筑若是出现锈蚀或者构件变样，就需要对该结构进行圈梁添加操作[3]。

3.4.3 建筑中易倒塌部位的加固方法：承重窗间墙体宽度过小或抗震能力不满足要求时，可加设钢筋混凝土窗框或采用面层、板墙加固；隔墙无拉结或拉结不牢时，加镶边、预埋铁套，可采用锚杆或钢拉杆加固；当支撑梁的墙截面抗震能力不满足要求时，砌体柱、钢筋混凝土柱或面层、板墙可加筋：当楼梯间，电梯间和水箱间出屋面不符合鉴定要求的，可采用面层或附加柱加固。楼梯间、电梯间、水箱间上部应与屋面构件可靠连接，下部应与主体结构的加固措施连接；当烟囱、无系杆女儿墙出屋面超过规定高度时，拆除或用型钢、钢拉杆加固；满足要求时，悬臂构件的锚固长度不得超过规定高度，可增加拉杆或减少悬臂长度。

4 结束语

抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用有着十分积极的意义，不仅提高了高层建筑的抗震性能，而且建筑质量也迈上了一个新的台阶，符合新时期人们对高层建筑的使用要求，为建筑行业的发展注入了新的生机和活力。设计人员应明确抗震概念设计原则，在高层建筑结构设计中大力推广应用抗震概念设计，以打造高水平的建筑工程，为人们创建舒适安全的居住环境。