高层建筑结构抗震设计的不足及对策

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摘要：随着社会经济快速发展，城市化进程的推进，在城市发展和建设中建筑规模不断扩大，而城市中土地可使用率降低，为此在建筑行业发展中逐渐朝着高层建筑发展，而高层建筑结构体系也是社会发展与科技进步的产物。早在上世纪90年代就已经对高层建筑结构抗震设计工作进行了分析，尤其是在我国地震多发区，在建筑工程设计中抗震设计是其重要内容。本文就对当前我国高层建筑结构抗震设计中的不足进行分析，并提出相应的解决对策。

关键词：高层建筑；抗震设计；存在不足；解决对策

1引言

地震是一种强有力的自然灾害事件，对于人类的生存和发展产生重要的影响，而高层建筑结构抗震性能对于人们的生命安全和财产安全有着直接的联系。在高层建筑结构设计中，不仅需要考虑到建筑物美观性，经济性与实用性特点，同时还要考虑到建筑安全问题，在工程设计和建设中建筑结构的抗震设计是其重要内容，对于建筑物使用寿命及使用性能都带来深远的影响，对建筑工程项目安全发挥着重要的作用。

2高层建筑结构抗震设计内容分析

通常建筑物的抗震结构在遇到强大地震作用下会进入塑性状态，为满足地震作用下结构性能要求，在建筑结构抗震设计中就要考虑到结构弹塑性变形能力。根据当前国内外对抗震设计研究的发展趋势来看，主要是对在不同超越概率水平地震作用下对结构的变形要求和性能要求进行设计[1]。在抗震设计中结构的弹塑性分析是其重要内容，但由于在结构的弹塑性分析中具有一定的难度和复杂性，在如何设定与如何计算等问题的要求上也各有不同。当前我国现行的抗震规范中对于高层建筑结构抗震设计要求是按照反应谱理论来进行计算的，通过弹性方法来对位移及内力进行计算，通过极限状态来进行构件设计。在建筑物有特殊要求或是一些重要建筑中应通过时程分析法来对其进行补充计算，并计算在大震作用下的变形状态，规定在罕遇地震作用下建筑结构的弹塑性变形分析。

3高层建筑结构抗震设计不足

3.1建筑结构高度

根据我国建筑行业现行的高层建筑混凝土结构规程中明确规定，在一定的结构形式和设防烈度前提下，高层建筑钢筋混凝土高度应保持适宜，而高度则是根据我国现有的施工技术水平、建筑科研水平和经济发展水平基础上所明确的，与我国土建规范体系是相协调的[2]。但在高层建筑的实际施工中很多混凝土结构和建筑物结构明显超过限制标准，对于超高层建筑物在抗震设计中需要采用科学的方式，如模型振动台试验，并要有专家论证。在地震作用下超高层建筑物变性破坏形态较大，随着建筑物高度增加，一些影响因素会从量变发生质变，即一些参数本身超出其规范范围内，如延性要求、力学模型选取、安全指标、荷载取值及材料性能等。

3.2建筑体系和材料选用

在高层建筑结构的抗震设计中对于建筑结构体系和材料的选用受到人们的重视，尤其是在地震多发区域人们重视程度明显增加。我国当前在150米以上的高层建筑结构中主要采用的是三种结构体系，这些结构体系都是借鉴其他国家建筑结构体系，但不同的是国外地区尤其是地震区主要是以钢结构为主，而国内则主要是钢筋混凝土结构或是混合结构，但国内外对于钢筋混凝土结构并未进行大地震作用试验。如在高层建筑的框架-核心筒体系结构应用中，钢结构用钢量少，柱子断面减少，因此受到业主方青睐[3]。混合结构中钢筋混凝土内简震层剪力较强，结构以钢筋混凝土核心筒为主，将钢筋混凝土结构位移限值作为变性控制基数。但由于弯曲变形侧移较大，一些钢框架刚度小，协同作用下使侧移减小，钢结构负担增加，在设计中需要加大混凝土筒的伸臂结构和刚度，确保满足侧移限值。当柱距和结构体系在发生变化时应设置结构转换层，在转换层和加强层作用下使机构刚度发生突变，使与转换成和加强层相连的构件建立增加，加强层和转换层连接处无法或是难以实现强柱弱梁，为此在转换层或加强层设置中应对其结构模式进行科学，谨慎选择，使其本身刚度应尽量减小，才能减小所带来的不利影响。除此之外，在高层建筑的抗震设计中还要注意到材料及结构体系优选，虽然我国目前钢材生产量不断增加，钢材品种与类型增加，钢结构制造能力提升，但部分地区仍尽可能的采用钢骨混凝土结构，钢结构或是钢管混凝土结构等，使柱断面面积减小，使结构抗震性能得到改善[4]。在超出一定高度后，钢结构自身质量小，为减小风振，通常首要选择钢骨混凝土或是混凝土材料。

3.3短柱和轴压比

在高层建筑钢筋混凝土结构中为了控制柱的轴压比，通常会使柱的断面增加，柱纵向钢筋为构造配筋，虽然采用高强度混凝土也不能明显的减小柱断面的面积。对柱的轴压比进行限制主要是确保柱在大片呀状态下，防止IE受拉钢筋补鞥呢屈服被混凝土碾压，柱塑性变形能力差，使结构延性受到影响。在地震作用下，使吸收地震能量和耗散能量少，结构容易受到破坏。但在框架的抗震设计中为确保强柱弱梁，使梁的延性较好，柱子进入屈服可能性减小，使轴压比限值得到放松[5]。此外，当前在一些高层建筑的底部柱子并不一定是短柱，只有在明确剪跨比低于2的情况下才能确保柱子是短柱，进一步明确短柱参数为柱的剪跨比。但即便可以对轴压比限值进行调整，仍不能通过增加轴压比限值的方式减小柱断面，为此在高层建筑的抗震设计中钢筋混凝土采用是否合理还需要进行进一步的探究与分析。

4高层建筑结构抗震设计问题的解决对策

4.1选择合适的地理位置

当建筑施工场地工程地质条件不同的情况下，在地震作用下建筑物所遭受的破坏程度也是不同的，因此在高层建筑工程项目建设中应选择具有抗震有利场地，避开抗震不利场地进行施工建设，从而减轻地震灾害问题发生。在高层建筑施工前应加强对工程地质的勘查，并采取科学的解决措施，对于不利工程地段应考虑到因场地条件会造成结构破坏因素，在工程施工地区中除去地震因素限制之外，还要排除具有严重危险性场地和不利场地作为建筑施工用地[6]。在建筑施工场地选择中应根据地基、场地等对于建筑物所承受抗震破坏作用大小及其特征来进行明确分类，根据不同场地的特点和特征采取科学合理的抗震措施。在高层建筑结构抗震设计中，结构工程师应提出避开不利地质环境的要求，如根据地基液化等级和抗震设防类别等加强上部结构和地基结构的刚度，消除地基液化沉陷。

4.2抗震设计方案优化

建筑材料选择在高层建筑结构的抗震设计中发挥着重要作用，通过对建筑材料参数分析，从整体上考虑材料参数变异性，并选择具有经济实用型同时符合抗震要求的材料类别。但在抗震设计中不仅需要考虑到材料承载力，同时还要考虑到高层建筑在施工中各方面因素，选择与抗震需求相符合的材料，按照相应的标准进行衡量，采用不同的材料和不同的结构类型。

4.3建筑结构设计优化

在高层建筑结构的抗震设计中对称均匀为其设计主要原则，根据综合抗震能力概念，在建筑结构的抗震设计中应充分考虑到建筑结构构造和承载力大小对于地震作用进行衡量，在地震时建筑物受到地震作用大小在一定程度上和建筑物的动力特性，承载力分布，刚度合理性及延性大小有着密切的关系。房屋是由楼盖和纵向、横向承重构件所组成的结构体系，具有空间刚度，而建筑结构抗震能力大小在一定程度上取决于建筑结构整体稳定性及空间刚度大小。为了使建筑物抗震性能提高与改善，在建筑结构设计中应确保所有构件的延性较高，并通过屋盖、现浇楼等多种方法增强结构整体的稳定性和结构空间刚度，在适当部位设置构造柱，配备构造钢筋，使结构整体作用增强。除此之外，还要对配筋圈梁可限制散落问题进行设置，使结构整体稳定性得到提高，进而使房屋抗震性能增强，结构主要是通过延性来使建筑物在大地震作用下发生非弹性变形，因此建筑结构强度和延性在地震作用下的意义都是同等重要的。为确保在地震作用下钢筋混凝土结构的动力反应具有一定的延性，就需要将塑性变形集中在具有良好延性能力的构件上，如选择可接受塑性变形机构，通过人为方式使构件抗剪能力增强，在不强烈地震作用下，为充分发挥出结构延性前出现非延性剪切破坏，即强剪弱弯。或采用同样的构造方式确保塑性铰部位具有一定的塑性损耗和转动能力。

5结语

综上所述，在高层建筑结构抗震设计中经济性和安全性问题是重要的技术措施，从长远角度来看，我国的高层建筑结构看诊设计应根据当前的抗震设计现状即其不足之处，明确设备与结构之间的联系性，根据抗震概念知识与设计经验，设计人员应作出明确的判断，找出经济合理性与结构安全性之间的连接点，从而找到一种切实可行的抗震设计方法，明确地震区域中高层建建筑未来发展主要方向，从而推动社会经济发展与科技进步，满足人们的需求。

参考文献：

[1]陈达锋.某大跨连体超限高层建筑结构抗震设计及弹塑性时程分析[J].建筑科学,2013(7):117~121.

[2]王鑫,聂桂兰.静力与动力弹塑性分析在超限高层建筑结构抗震设计中的应用[J].中国西部科技,2009(23):17~19.

[3]陈维东.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].中国高新技术企业,2009(5):173~174.

[4]韩小雷,郑宜,季静,黄艺燕.美国基于性能的高层建筑结构抗震设计规范[J].地震工程与工程振动,2008(1):64~70.

作者：王敬东 单位：葫芦岛市建筑设计院有限责任公司