高層混凝土建筑抗震結構設計淺析

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摘要：2008年12月27日，第十一屆全國人民代表大會常務委員會第六次會議修訂了《中華人民共和國防震減災法》，旨在大力推進新時代防震減災事業現代化建設。國家大力推行建筑防震方針的目的是，降低地震破壞力，減少經濟損失，保障人民生命安全。隨著建筑行業的不斷發展，人們的生活水平也在不斷提高，人們對各類建筑物的居住與使用也有了更高的要求與標準。目前，大多數的高層建筑都是以混凝土結構為主的，這是因為混凝土結構具有較強的抗震能力，可以提高建筑的安全性。基于此，本文首先分析了我國地震災害對建筑物的影響，研究了高層混凝土抗震結構性能，闡述了高層混凝土建筑抗震結構設計的主要原則，提出了高層混凝土建筑抗震結構優化方法。

關鍵詞：建筑結構抗震；抗震結構設計；混凝土建筑

我國地域遼闊，不同的區域有著不同的自然環境與地質條件，有些地區地震災害頻發，地震會對當地的一些建筑物造成不同程度的破壞。地震的發生往往很突然，嚴重威脅了人們的生命財產安全。因此，人們也越來越重視建筑物的質量安全。目前，設計人員在進行高層混凝土建筑結構設計時，需要將建筑的抗震性能考慮在內，大力發展建筑抗震技術。設計人員必須做好建筑抗震技術研究工作。對于混凝土建筑設計而言，抗震設計中最為重要的是把控建筑結構，只有建筑物的整體抗震能力達到標準，才能夠抵抗地震災害。因此，相關建筑設計人員必須對高層混凝土建筑抗震結構設計予以高度重視，在開展設計工作之前，做好結構設計分析工作，從而有效提高高層混凝土建筑的綜合質量及安全性。

1我國地震災害對建筑物的影響分析

我國在建設發展的過程中發生了幾次較大的地震災害，這些地震災害對于建筑物尤其是群體性高層建筑的破壞，至今還令人心悸不已。地震對人類的生命財產安全極具威脅，因此人類在面對地震災害時，應該有效地將所掌握的抗震技術應用于建筑工程中，盡量降低地震災害造成的損失。工作人員必須對高層建筑進行抗震檢測鑒定，以降低安全風險。地震發生具有突發性，如果建筑結構質量不過關，就會造成不可預計的后果。筆者根據地震災害影響，詳細梳理了我國幾次大型地震災害情況（見表1）。通過表1中的數據不難發現，大型地震對我國造成的經濟損失極為嚴重，其中絕大多數人員傷亡都是由高層建筑物坍塌造成的。另外，搜救不及時、搜救困難等問題也會造成大量的人員傷亡。早期建筑雖然進行了抗震檢測鑒定，但是建筑結構仍然存在較大的安全隱患——建筑物的建筑結構設計與相關建筑材料的應用過于單一，工作人員沒有把握抗震這一關鍵性原則，以致發生大型地震時，高層混凝土建筑大量倒塌。

2高層混凝土抗震結構性能的相關研究

高層混凝土建筑抗震結構的主要理論包括三個方面的內容，即擬靜力理論、反應譜理論、動力理論。其中，擬靜力理論是指在估計地震對建筑結構的作用時，假設結構為剛性，地震力水平作用在結構或構件的質量中心，地震力的大小相當于結構的重量乘以一個比例常數（地震系數）。反應譜理論則是將地震動對建筑物的作用以等效荷載的方法來表示，然后根據這一等效荷載用靜力分析的方法對結構進行內力和位移計算，以驗算結構的抗震承載力和變形值。動力理論是指將地震比作一個主體的時間過程，在結構中輸入極具代表性的加速度，當有效掌握地震問題之后，建筑物在不同階段所呈現的變化均可進行記錄，這樣就能夠明確后續的綜合設計方案。

3高層混凝土建筑抗震結構設計的主要原則

3.1建筑結構合理性原則

在實際建設過程中，設計人員需要有效結合目前建筑物的真實情況，選擇較為合理的構建方式。一般來說，設計人員需要在確定整體結構之后，采用系統化的方法對結構進行分析。不同的建筑物之間存在差異，建筑物的構件也會存在一定的差異，但是在實際的選擇過程中，設計人員必須按照結構合理性的原則來選擇。建筑物自身能夠對一部分剛度較差的梁體結構起到穩定支撐的作用，一些需要承受豎向荷載的構件不能轉變為耗能構件，這是因為豎向結構十分脆弱，容易產生受力不均勻的情況，當發生地震時，部分位置容易坍塌。因此，所有構件都應該具有很強的延性，設計人員不僅要考慮工程近況，還要充分考慮工程后續發展情況。

3.2建筑環節不同的抗震防線原則

在高層混凝土建筑中，對于抗震防線而言，設計人員在不同的工程環節中需要進行不同的工程設計與資源配置。設計人員可以對高層建筑工程進行分級，在比較脆弱的位置設計多個抗震防線，這樣即使發生地震，也會有效防止連帶問題。此外，如果只是單一地設置一道防線，一旦發生余震，就有可能導致災情的進一步惡化。構件之間的強弱關系也可以視作彈性變化的有效關系，在主體構件遭受一定的沖擊之后，第一道防線就會被完全突破，由于后面防線與第一道防線存在一定的受力距離，因此第一道防線不會直接對第二道防線造成影響，進而有效保證了建筑物的安全性。

3.3建筑不同部位的抗震設計原則

對于一些具有強弱關系、距離過大的位置，設計人員需要合理應用不同的抗震設計結構。相關設計人員必須在開展結構設計工作之前，進行受力試驗，充分考慮并結合每個構件的承載能力，準確判斷局部構件的承載能力是否符合荷載要求。但是，除了局部構件的穩定性需要再次確定以外，整體構件的穩定性不能因為局部構件的穩定性增強后而受到忽視。簡單來說，局部構件的受力效果、剛性程度、承載力的協調狀況都需要根據構件形式的不同進行適度調整。另外，現場建設人員需要有效保證局部構件受力均勻，不能因為某個部位承載力較強，就減小這個部位的強度，因為這會增加其他部位的荷載，當發生地震時，就會影響整個建筑物的穩定性。

4高層混凝土建筑抗震結構優化方法

4.1合理選擇建筑位置及構造體系

設計人員應全面分析我國實際的地震災害情況。通過分析可知，如果建筑物的位置不同，那么建筑物所承受的地震作用力也會存在差異，最主要的原因是建筑物所在區域的地質條件不同。為了解決這些問題，在建筑項目選址時，設計人員必須充分考慮以下兩個方面的內容：①項目建設區域內部的地質環境應具有較強的抗震能力，為保證建筑物的安全性打下良好基礎；②在選址時，設計人員應最大限度地避免選址周圍存在危險性較高的建筑物，例如一些石油存儲建筑、變電站、化工廠等，選址與這些建筑物必須保持一定的安全距離。此外，在建筑物的抗震規劃中，設計人員應該對部分構件與整體構件之間的關系進行適當調整，有效避免因局部問題而對建筑的穩定性與承載力造成影響。在規劃時，規劃人員要在合理范圍內，保證結構具有一定的變形空間，并且在內力分配性能與贅余度方面進行合理控制。當有效控制這些環節后，一旦發生一般地震，哪怕部分構件出現問題，剩余的構件依然可以發揮抗震作用。在規劃建筑物的結構體系時，規劃人員必須合理控制結構的強度與剛韌度，更要重視框架結構的各個節點的穩固性，增加底層柱的支撐強度，保證塑性能夠符合實際抗震要求。

4.2建筑結構設計方案優化

結構工程師在對高層建筑進行規劃設計時，必須對最終敲定的方案進行細致篩選。所敲定的方案需要符合現階段國家規定的相關標準，只有這樣，才會使主體結構擁有十分充足的空間，與此同時，在延性作用力的帶動下，讓主體結構恢復到原有的狀態，可以有效降低結構變形，從而保證建筑結構不會受到負面因素的影響，混凝土結構可以在長時間內保持相對平衡的狀態。設計人員必須詳細計算在不同作用力下對混凝土結構造成影響的各項數據，并且根據結果重新設計構件的整體布局方式，在確保科學性的同時，優化和協調建筑內部設施的受力狀況，實現建筑受力平衡，增強建筑承受外部作用力的能力，有效解決豎向重力引發的各種問題，進而逐漸達到原有規劃中的剛度設計標準。整個結構要具有一定的條理性，保證不會出現其他復雜情況，這樣就能提高建筑物的實際抗震效果。另外，設計人員需要深入研究地震災害的記錄信息，結合信息內容與當前建筑的實際標準，在設計環節應用一些抗震性較強的方案；對于細節部分，也需要開展精細化處理，使得建筑結構自上而下承受的重力保持一致。其實，也正是由于重力作用，地震水平層面與豎向層面所產生的作用力會在一定程度上減弱地震的破壞力，從而達到提高綜合抗震能力的效果。

4.3合理控制扭轉效應

一般而言，當地震發生之后，建筑的水平方向、豎直方向都會引發較強的作用力，建筑內部也會產生扭轉作用力。建筑也正是因為承受了多個方向的力量，實際的破壞程度極為嚴重，例如房屋倒塌、房屋傾斜等。地震發生具有突發性、偶然性的特點，人們很難提前預料，不穩定因素較多。所以，在進行抗震結構設計時，設計人員需要高度重視扭轉效應。設計人員如果在建設規劃初期沒有實踐性的資料作為參考，就需要在規劃之前選擇所測量的位移部分的剛度和減弱最小位移的帶點剛度，有效保證結構在整體性環境中位移的一致性。與此同時，建筑的全部細節設計都應該達到國家的規定標準，只要發現其中任何位置的設計存在不合理的情況，設計人員都必須在第一時間對其進行詳細調整，以便于將扭轉效應造成的影響降到最低。

4.4強化各層建筑結構的參數設置

建筑中的各個層級結構參數設計的目的是，在地震災害出現之后，對各種受力影響、建筑結構設施所承受的沖擊進行模擬，并且有序完成計算，計算的內容包括墻體的承載能力以及主梁變形情況等。在初期的結構設計中，設計人員需要提前了解建筑場地的地形條件、項目的具體位置及周邊環境、建筑所需材料、建筑建設工藝、建筑質量檢測等內容。在深度了解到這些內容之后，設計人員需要掌控其中的關鍵點，有效設置基礎選型，并且融合建設理念與專項技能，完成建筑結構的樣板設計；對于一些比較關鍵的位置，設計人員必須給予詳細說明，從而提高抗震結構的綜合效果。設計人員在對結構較為復雜的綜合受力狀況進行研究的過程中，需要應用力學知識，包括拉應力理論、建筑彈性模量理論等，從而考察目前建筑物的受力情況是否符合建筑抗震標準。只有掌控了具體的標準，才能為后續的結構抗震能力設計提供有效的參考數據。常規而言，高層建筑結構所涉及的參數內容包括振動周期、剛度比例及扭轉角度等。因此，設計人員設計的結構模式，并不能在短時間內達到預期效果。這就要求設計人員通過復雜的計算，在保證結構抗震能力的同時，提高整體建筑結構的合理性與穩定性。

4.5有效開展建筑平面布置

在高層建筑混凝土結構設計的過程中，建筑設計人員應該堅持合理性、對稱性、均勻性的基本原則，有序地完成平面布置工作。一般而言，在水平地震波的作用下，建筑的各個樓層都會產生明顯偏移。具體來說，建筑的各個樓層都會產生完全變形、整體平移、整體扭動及剪切變形。因此，不同的結構需要應用不同的控制方式，只有這樣，才能有效控制變形。控制方式包括縮減柱距離、縮減梁距離、設置鋼臂、應用雙重抗側體系、設置豎向支撐等。設計人員需要采取交錯式的設計方法來擴大建筑房屋的跨度，從而有效提高建筑整體結構的抗震能力，并且不會對建筑薄弱層位置造成拉伸影響，不會引起較大的位移和形變，最終使得高層建筑物的整體抗震能力達到國家規定的標準。

5結語

綜上所述，高層建筑混凝土抗震結構設計與規劃和人們的住房安全及生活質量有著緊密的關聯性，建筑設計人員必須嚴格遵守各項設計原則，對高層建筑混凝土結構進行抗震設計優化，在做好各項優化工作的同時，提高高層建筑混凝土結構的抗震能力，以實現抗震結構控制目標。

參考文獻：

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[4]何鑫.關于高層混凝土建筑結構的抗震設計探討[J].中國住宅設施,2020(4).

作者:馬強 單位:陜西恒瑞建筑設計工程有限公司