高层混凝土建筑抗震结构设计浅析

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摘要：2008年12月27日，第十一届全国人民代表大会常务委员会第六次会议修订了《中华人民共和国防震减灾法》，旨在大力推进新时代防震减灾事业现代化建设。国家大力推行建筑防震方针的目的是，降低地震破坏力，减少经济损失，保障人民生命安全。随着建筑行业的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，人们对各类建筑物的居住与使用也有了更高的要求与标准。目前，大多数的高层建筑都是以混凝土结构为主的，这是因为混凝土结构具有较强的抗震能力，可以提高建筑的安全性。基于此，本文首先分析了我国地震灾害对建筑物的影响，研究了高层混凝土抗震结构性能，阐述了高层混凝土建筑抗震结构设计的主要原则，提出了高层混凝土建筑抗震结构优化方法。

关键词：建筑结构抗震；抗震结构设计；混凝土建筑

我国地域辽阔，不同的区域有着不同的自然环境与地质条件，有些地区地震灾害频发，地震会对当地的一些建筑物造成不同程度的破坏。地震的发生往往很突然，严重威胁了人们的生命财产安全。因此，人们也越来越重视建筑物的质量安全。目前，设计人员在进行高层混凝土建筑结构设计时，需要将建筑的抗震性能考虑在内，大力发展建筑抗震技术。设计人员必须做好建筑抗震技术研究工作。对于混凝土建筑设计而言，抗震设计中最为重要的是把控建筑结构，只有建筑物的整体抗震能力达到标准，才能够抵抗地震灾害。因此，相关建筑设计人员必须对高层混凝土建筑抗震结构设计予以高度重视，在开展设计工作之前，做好结构设计分析工作，从而有效提高高层混凝土建筑的综合质量及安全性。

1我国地震灾害对建筑物的影响分析

我国在建设发展的过程中发生了几次较大的地震灾害，这些地震灾害对于建筑物尤其是群体性高层建筑的破坏，至今还令人心悸不已。地震对人类的生命财产安全极具威胁，因此人类在面对地震灾害时，应该有效地将所掌握的抗震技术应用于建筑工程中，尽量降低地震灾害造成的损失。工作人员必须对高层建筑进行抗震检测鉴定，以降低安全风险。地震发生具有突发性，如果建筑结构质量不过关，就会造成不可预计的后果。笔者根据地震灾害影响，详细梳理了我国几次大型地震灾害情况（见表1）。通过表1中的数据不难发现，大型地震对我国造成的经济损失极为严重，其中绝大多数人员伤亡都是由高层建筑物坍塌造成的。另外，搜救不及时、搜救困难等问题也会造成大量的人员伤亡。早期建筑虽然进行了抗震检测鉴定，但是建筑结构仍然存在较大的安全隐患——建筑物的建筑结构设计与相关建筑材料的应用过于单一，工作人员没有把握抗震这一关键性原则，以致发生大型地震时，高层混凝土建筑大量倒塌。

2高层混凝土抗震结构性能的相关研究

高层混凝土建筑抗震结构的主要理论包括三个方面的内容，即拟静力理论、反应谱理论、动力理论。其中，拟静力理论是指在估计地震对建筑结构的作用时，假设结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心，地震力的大小相当于结构的重量乘以一个比例常数（地震系数）。反应谱理论则是将地震动对建筑物的作用以等效荷载的方法来表示，然后根据这一等效荷载用静力分析的方法对结构进行内力和位移计算，以验算结构的抗震承载力和变形值。动力理论是指将地震比作一个主体的时间过程，在结构中输入极具代表性的加速度，当有效掌握地震问题之后，建筑物在不同阶段所呈现的变化均可进行记录，这样就能够明确后续的综合设计方案。

3高层混凝土建筑抗震结构设计的主要原则

3.1建筑结构合理性原则

在实际建设过程中，设计人员需要有效结合目前建筑物的真实情况，选择较为合理的构建方式。一般来说，设计人员需要在确定整体结构之后，采用系统化的方法对结构进行分析。不同的建筑物之间存在差异，建筑物的构件也会存在一定的差异，但是在实际的选择过程中，设计人员必须按照结构合理性的原则来选择。建筑物自身能够对一部分刚度较差的梁体结构起到稳定支撑的作用，一些需要承受竖向荷载的构件不能转变为耗能构件，这是因为竖向结构十分脆弱，容易产生受力不均匀的情况，当发生地震时，部分位置容易坍塌。因此，所有构件都应该具有很强的延性，设计人员不仅要考虑工程近况，还要充分考虑工程后续发展情况。

3.2建筑环节不同的抗震防线原则

在高层混凝土建筑中，对于抗震防线而言，设计人员在不同的工程环节中需要进行不同的工程设计与资源配置。设计人员可以对高层建筑工程进行分级，在比较脆弱的位置设计多个抗震防线，这样即使发生地震，也会有效防止连带问题。此外，如果只是单一地设置一道防线，一旦发生余震，就有可能导致灾情的进一步恶化。构件之间的强弱关系也可以视作弹性变化的有效关系，在主体构件遭受一定的冲击之后，第一道防线就会被完全突破，由于后面防线与第一道防线存在一定的受力距离，因此第一道防线不会直接对第二道防线造成影响，进而有效保证了建筑物的安全性。

3.3建筑不同部位的抗震设计原则

对于一些具有强弱关系、距离过大的位置，设计人员需要合理应用不同的抗震设计结构。相关设计人员必须在开展结构设计工作之前，进行受力试验，充分考虑并结合每个构件的承载能力，准确判断局部构件的承载能力是否符合荷载要求。但是，除了局部构件的稳定性需要再次确定以外，整体构件的稳定性不能因为局部构件的稳定性增强后而受到忽视。简单来说，局部构件的受力效果、刚性程度、承载力的协调状况都需要根据构件形式的不同进行适度调整。另外，现场建设人员需要有效保证局部构件受力均匀，不能因为某个部位承载力较强，就减小这个部位的强度，因为这会增加其他部位的荷载，当发生地震时，就会影响整个建筑物的稳定性。

4高层混凝土建筑抗震结构优化方法

4.1合理选择建筑位置及构造体系

设计人员应全面分析我国实际的地震灾害情况。通过分析可知，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会存在差异，最主要的原因是建筑物所在区域的地质条件不同。为了解决这些问题，在建筑项目选址时，设计人员必须充分考虑以下两个方面的内容：①项目建设区域内部的地质环境应具有较强的抗震能力，为保证建筑物的安全性打下良好基础；②在选址时，设计人员应最大限度地避免选址周围存在危险性较高的建筑物，例如一些石油存储建筑、变电站、化工厂等，选址与这些建筑物必须保持一定的安全距离。此外，在建筑物的抗震规划中，设计人员应该对部分构件与整体构件之间的关系进行适当调整，有效避免因局部问题而对建筑的稳定性与承载力造成影响。在规划时，规划人员要在合理范围内，保证结构具有一定的变形空间，并且在内力分配性能与赘余度方面进行合理控制。当有效控制这些环节后，一旦发生一般地震，哪怕部分构件出现问题，剩余的构件依然可以发挥抗震作用。在规划建筑物的结构体系时，规划人员必须合理控制结构的强度与刚韧度，更要重视框架结构的各个节点的稳固性，增加底层柱的支撑强度，保证塑性能够符合实际抗震要求。

4.2建筑结构设计方案优化

结构工程师在对高层建筑进行规划设计时，必须对最终敲定的方案进行细致筛选。所敲定的方案需要符合现阶段国家规定的相关标准，只有这样，才会使主体结构拥有十分充足的空间，与此同时，在延性作用力的带动下，让主体结构恢复到原有的状态，可以有效降低结构变形，从而保证建筑结构不会受到负面因素的影响，混凝土结构可以在长时间内保持相对平衡的状态。设计人员必须详细计算在不同作用力下对混凝土结构造成影响的各项数据，并且根据结果重新设计构件的整体布局方式，在确保科学性的同时，优化和协调建筑内部设施的受力状况，实现建筑受力平衡，增强建筑承受外部作用力的能力，有效解决竖向重力引发的各种问题，进而逐渐达到原有规划中的刚度设计标准。整个结构要具有一定的条理性，保证不会出现其他复杂情况，这样就能提高建筑物的实际抗震效果。另外，设计人员需要深入研究地震灾害的记录信息，结合信息内容与当前建筑的实际标准，在设计环节应用一些抗震性较强的方案；对于细节部分，也需要开展精细化处理，使得建筑结构自上而下承受的重力保持一致。其实，也正是由于重力作用，地震水平层面与竖向层面所产生的作用力会在一定程度上减弱地震的破坏力，从而达到提高综合抗震能力的效果。

4.3合理控制扭转效应

一般而言，当地震发生之后，建筑的水平方向、竖直方向都会引发较强的作用力，建筑内部也会产生扭转作用力。建筑也正是因为承受了多个方向的力量，实际的破坏程度极为严重，例如房屋倒塌、房屋倾斜等。地震发生具有突发性、偶然性的特点，人们很难提前预料，不稳定因素较多。所以，在进行抗震结构设计时，设计人员需要高度重视扭转效应。设计人员如果在建设规划初期没有实践性的资料作为参考，就需要在规划之前选择所测量的位移部分的刚度和减弱最小位移的带点刚度，有效保证结构在整体性环境中位移的一致性。与此同时，建筑的全部细节设计都应该达到国家的规定标准，只要发现其中任何位置的设计存在不合理的情况，设计人员都必须在第一时间对其进行详细调整，以便于将扭转效应造成的影响降到最低。

4.4强化各层建筑结构的参数设置

建筑中的各个层级结构参数设计的目的是，在地震灾害出现之后，对各种受力影响、建筑结构设施所承受的冲击进行模拟，并且有序完成计算，计算的内容包括墙体的承载能力以及主梁变形情况等。在初期的结构设计中，设计人员需要提前了解建筑场地的地形条件、项目的具体位置及周边环境、建筑所需材料、建筑建设工艺、建筑质量检测等内容。在深度了解到这些内容之后，设计人员需要掌控其中的关键点，有效设置基础选型，并且融合建设理念与专项技能，完成建筑结构的样板设计；对于一些比较关键的位置，设计人员必须给予详细说明，从而提高抗震结构的综合效果。设计人员在对结构较为复杂的综合受力状况进行研究的过程中，需要应用力学知识，包括拉应力理论、建筑弹性模量理论等，从而考察目前建筑物的受力情况是否符合建筑抗震标准。只有掌控了具体的标准，才能为后续的结构抗震能力设计提供有效的参考数据。常规而言，高层建筑结构所涉及的参数内容包括振动周期、刚度比例及扭转角度等。因此，设计人员设计的结构模式，并不能在短时间内达到预期效果。这就要求设计人员通过复杂的计算，在保证结构抗震能力的同时，提高整体建筑结构的合理性与稳定性。

4.5有效开展建筑平面布置

在高层建筑混凝土结构设计的过程中，建筑设计人员应该坚持合理性、对称性、均匀性的基本原则，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，建筑的各个楼层都会产生明显偏移。具体来说，建筑的各个楼层都会产生完全变形、整体平移、整体扭动及剪切变形。因此，不同的结构需要应用不同的控制方式，只有这样，才能有效控制变形。控制方式包括缩减柱距离、缩减梁距离、设置钢臂、应用双重抗侧体系、设置竖向支撑等。设计人员需要采取交错式的设计方法来扩大建筑房屋的跨度，从而有效提高建筑整体结构的抗震能力，并且不会对建筑薄弱层位置造成拉伸影响，不会引起较大的位移和形变，最终使得高层建筑物的整体抗震能力达到国家规定的标准。

5结语

综上所述，高层建筑混凝土抗震结构设计与规划和人们的住房安全及生活质量有着紧密的关联性，建筑设计人员必须严格遵守各项设计原则，对高层建筑混凝土结构进行抗震设计优化，在做好各项优化工作的同时，提高高层建筑混凝土结构的抗震能力，以实现抗震结构控制目标。

参考文献：

[1]王雷,赵国良,王诚杰,等.刍议高层混凝土建筑的抗震结构设计策略[J].工程抗震与加固改造,2021,43(1).

[2]王会荣,张宏春,王芍丹.高层混凝土建筑的抗震结构设计研究[J].工程技术研究,2020,5(18).

[3]王明锋.高层混凝土建筑抗震结构设计的思考与实践[J].城市建筑,2020,17(26).

[4]何鑫.关于高层混凝土建筑结构的抗震设计探讨[J].中国住宅设施,2020(4).

作者:马强 单位:陕西恒瑞建筑设计工程有限公司