高層建筑結構抗震設計的不足及對策

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摘要：隨著社會經濟快速發展，城市化進程的推進，在城市發展和建設中建筑規模不斷擴大，而城市中土地可使用率降低，為此在建筑行業發展中逐漸朝著高層建筑發展，而高層建筑結構體系也是社會發展與科技進步的產物。早在上世紀90年代就已經對高層建筑結構抗震設計工作進行了分析，尤其是在我國地震多發區，在建筑工程設計中抗震設計是其重要內容。本文就對當前我國高層建筑結構抗震設計中的不足進行分析，并提出相應的解決對策。

關鍵詞：高層建筑；抗震設計；存在不足；解決對策

1引言

地震是一種強有力的自然災害事件，對于人類的生存和發展產生重要的影響，而高層建筑結構抗震性能對于人們的生命安全和財產安全有著直接的聯系。在高層建筑結構設計中，不僅需要考慮到建筑物美觀性，經濟性與實用性特點，同時還要考慮到建筑安全問題，在工程設計和建設中建筑結構的抗震設計是其重要內容，對于建筑物使用壽命及使用性能都帶來深遠的影響，對建筑工程項目安全發揮著重要的作用。

2高層建筑結構抗震設計內容分析

通常建筑物的抗震結構在遇到強大地震作用下會進入塑性狀態，為滿足地震作用下結構性能要求，在建筑結構抗震設計中就要考慮到結構彈塑性變形能力。根據當前國內外對抗震設計研究的發展趨勢來看，主要是對在不同超越概率水平地震作用下對結構的變形要求和性能要求進行設計[1]。在抗震設計中結構的彈塑性分析是其重要內容，但由于在結構的彈塑性分析中具有一定的難度和復雜性，在如何設定與如何計算等問題的要求上也各有不同。當前我國現行的抗震規范中對于高層建筑結構抗震設計要求是按照反應譜理論來進行計算的，通過彈性方法來對位移及內力進行計算，通過極限狀態來進行構件設計。在建筑物有特殊要求或是一些重要建筑中應通過時程分析法來對其進行補充計算，并計算在大震作用下的變形狀態，規定在罕遇地震作用下建筑結構的彈塑性變形分析。

3高層建筑結構抗震設計不足

3.1建筑結構高度

根據我國建筑行業現行的高層建筑混凝土結構規程中明確規定，在一定的結構形式和設防烈度前提下，高層建筑鋼筋混凝土高度應保持適宜，而高度則是根據我國現有的施工技術水平、建筑科研水平和經濟發展水平基礎上所明確的，與我國土建規范體系是相協調的[2]。但在高層建筑的實際施工中很多混凝土結構和建筑物結構明顯超過限制標準，對于超高層建筑物在抗震設計中需要采用科學的方式，如模型振動臺試驗，并要有專家論證。在地震作用下超高層建筑物變性破壞形態較大，隨著建筑物高度增加，一些影響因素會從量變發生質變，即一些參數本身超出其規范范圍內，如延性要求、力學模型選取、安全指標、荷載取值及材料性能等。

3.2建筑體系和材料選用

在高層建筑結構的抗震設計中對于建筑結構體系和材料的選用受到人們的重視，尤其是在地震多發區域人們重視程度明顯增加。我國當前在150米以上的高層建筑結構中主要采用的是三種結構體系，這些結構體系都是借鑒其他國家建筑結構體系，但不同的是國外地區尤其是地震區主要是以鋼結構為主，而國內則主要是鋼筋混凝土結構或是混合結構，但國內外對于鋼筋混凝土結構并未進行大地震作用試驗。如在高層建筑的框架-核心筒體系結構應用中，鋼結構用鋼量少，柱子斷面減少，因此受到業主方青睞[3]。混合結構中鋼筋混凝土內簡震層剪力較強，結構以鋼筋混凝土核心筒為主，將鋼筋混凝土結構位移限值作為變性控制基數。但由于彎曲變形側移較大，一些鋼框架剛度小，協同作用下使側移減小，鋼結構負擔增加，在設計中需要加大混凝土筒的伸臂結構和剛度，確保滿足側移限值。當柱距和結構體系在發生變化時應設置結構轉換層，在轉換層和加強層作用下使機構剛度發生突變，使與轉換成和加強層相連的構件建立增加，加強層和轉換層連接處無法或是難以實現強柱弱梁，為此在轉換層或加強層設置中應對其結構模式進行科學，謹慎選擇，使其本身剛度應盡量減小，才能減小所帶來的不利影響。除此之外，在高層建筑的抗震設計中還要注意到材料及結構體系優選，雖然我國目前鋼材生產量不斷增加，鋼材品種與類型增加，鋼結構制造能力提升，但部分地區仍盡可能的采用鋼骨混凝土結構，鋼結構或是鋼管混凝土結構等，使柱斷面面積減小，使結構抗震性能得到改善[4]。在超出一定高度后，鋼結構自身質量小，為減小風振，通常首要選擇鋼骨混凝土或是混凝土材料。

3.3短柱和軸壓比

在高層建筑鋼筋混凝土結構中為了控制柱的軸壓比，通常會使柱的斷面增加，柱縱向鋼筋為構造配筋，雖然采用高強度混凝土也不能明顯的減小柱斷面的面積。對柱的軸壓比進行限制主要是確保柱在大片呀狀態下，防止IE受拉鋼筋補鞥呢屈服被混凝土碾壓，柱塑性變形能力差，使結構延性受到影響。在地震作用下，使吸收地震能量和耗散能量少，結構容易受到破壞。但在框架的抗震設計中為確保強柱弱梁，使梁的延性較好，柱子進入屈服可能性減小，使軸壓比限值得到放松[5]。此外，當前在一些高層建筑的底部柱子并不一定是短柱，只有在明確剪跨比低于2的情況下才能確保柱子是短柱，進一步明確短柱參數為柱的剪跨比。但即便可以對軸壓比限值進行調整，仍不能通過增加軸壓比限值的方式減小柱斷面，為此在高層建筑的抗震設計中鋼筋混凝土采用是否合理還需要進行進一步的探究與分析。

4高層建筑結構抗震設計問題的解決對策

4.1選擇合適的地理位置

當建筑施工場地工程地質條件不同的情況下，在地震作用下建筑物所遭受的破壞程度也是不同的，因此在高層建筑工程項目建設中應選擇具有抗震有利場地，避開抗震不利場地進行施工建設，從而減輕地震災害問題發生。在高層建筑施工前應加強對工程地質的勘查，并采取科學的解決措施，對于不利工程地段應考慮到因場地條件會造成結構破壞因素，在工程施工地區中除去地震因素限制之外，還要排除具有嚴重危險性場地和不利場地作為建筑施工用地[6]。在建筑施工場地選擇中應根據地基、場地等對于建筑物所承受抗震破壞作用大小及其特征來進行明確分類，根據不同場地的特點和特征采取科學合理的抗震措施。在高層建筑結構抗震設計中，結構工程師應提出避開不利地質環境的要求，如根據地基液化等級和抗震設防類別等加強上部結構和地基結構的剛度，消除地基液化沉陷。

4.2抗震設計方案優化

建筑材料選擇在高層建筑結構的抗震設計中發揮著重要作用，通過對建筑材料參數分析，從整體上考慮材料參數變異性，并選擇具有經濟實用型同時符合抗震要求的材料類別。但在抗震設計中不僅需要考慮到材料承載力，同時還要考慮到高層建筑在施工中各方面因素，選擇與抗震需求相符合的材料，按照相應的標準進行衡量，采用不同的材料和不同的結構類型。

4.3建筑結構設計優化

在高層建筑結構的抗震設計中對稱均勻為其設計主要原則，根據綜合抗震能力概念，在建筑結構的抗震設計中應充分考慮到建筑結構構造和承載力大小對于地震作用進行衡量，在地震時建筑物受到地震作用大小在一定程度上和建筑物的動力特性，承載力分布，剛度合理性及延性大小有著密切的關系。房屋是由樓蓋和縱向、橫向承重構件所組成的結構體系，具有空間剛度，而建筑結構抗震能力大小在一定程度上取決于建筑結構整體穩定性及空間剛度大小。為了使建筑物抗震性能提高與改善，在建筑結構設計中應確保所有構件的延性較高，并通過屋蓋、現澆樓等多種方法增強結構整體的穩定性和結構空間剛度，在適當部位設置構造柱，配備構造鋼筋，使結構整體作用增強。除此之外，還要對配筋圈梁可限制散落問題進行設置，使結構整體穩定性得到提高，進而使房屋抗震性能增強，結構主要是通過延性來使建筑物在大地震作用下發生非彈性變形，因此建筑結構強度和延性在地震作用下的意義都是同等重要的。為確保在地震作用下鋼筋混凝土結構的動力反應具有一定的延性，就需要將塑性變形集中在具有良好延性能力的構件上，如選擇可接受塑性變形機構，通過人為方式使構件抗剪能力增強，在不強烈地震作用下，為充分發揮出結構延性前出現非延性剪切破壞，即強剪弱彎。或采用同樣的構造方式確保塑性鉸部位具有一定的塑性損耗和轉動能力。

5結語

綜上所述，在高層建筑結構抗震設計中經濟性和安全性問題是重要的技術措施，從長遠角度來看，我國的高層建筑結構看診設計應根據當前的抗震設計現狀即其不足之處，明確設備與結構之間的聯系性，根據抗震概念知識與設計經驗，設計人員應作出明確的判斷，找出經濟合理性與結構安全性之間的連接點，從而找到一種切實可行的抗震設計方法，明確地震區域中高層建建筑未來發展主要方向，從而推動社會經濟發展與科技進步，滿足人們的需求。

參考文獻：

[1]陳達鋒.某大跨連體超限高層建筑結構抗震設計及彈塑性時程分析[J].建筑科學,2013(7):117~121.

[2]王鑫,聶桂蘭.靜力與動力彈塑性分析在超限高層建筑結構抗震設計中的應用[J].中國西部科技,2009(23):17~19.

[3]陳維東.高層建筑結構抗震設計存在的問題及其對策[J].中國高新技術企業,2009(5):173~174.

[4]韓小雷,鄭宜,季靜,黃藝燕.美國基于性能的高層建筑結構抗震設計規范[J].地震工程與工程振動,2008(1):64~70.

作者：王敬東 單位：葫蘆島市建筑設計院有限責任公司