淺議高層混凝土建筑抗震結構設計

龍輝

（銅仁市建筑勘察設計院 貴州銅仁 554300）

淺議高層混凝土建筑抗震結構設計

龍輝

（銅仁市建筑勘察設計院 貴州銅仁 554300）

近年來，我國地震多發(fā)，房屋抗震設計引起了建筑業(yè)的關注。房屋建筑要按照我國抗震的相關標準進行合理設計施工，從而實現(xiàn)“小震震不壞、中震亦可修、大震震不倒”的設計目標。本文簡要議論了高層混凝土建筑抗震結構特點、結構體系以及抗震性能等問題，以完善高層混凝土建筑的結構設計。

高層建筑；混凝土；抗震；設計

引言

地震這一自然災害是在人類生活中不可避免的，在地震傷亡人數(shù)中，房屋質量和抗震性能是重要的影響因素。在社會經(jīng)濟和基礎建設飛速發(fā)展的今天，地震的災害性提醒著人們，面對人口稠密、高層住宅小區(qū)日益增多的現(xiàn)代化大城市.其災害性后果是不堪設想的，因而需要高度的重視。對于高層混凝土建筑，更要嚴抓其抗震能力檢測評估，重視抗震結構設計具有重大的經(jīng)濟和社會意義。

1 高層建筑結構的特點

高層建筑結構的特點在于建筑規(guī)模大，成本高。一般來說，高層建筑的質量決取決于施工材料、施工技術和施工周期。而從建筑結構上來說，其所產生的軸向力與建筑物的高度大致上屬于線性關系，水平荷載導致結構的彎矩。從側移的特性上來說，豎向荷載所引起側移通常較小，當水平荷載均勻分布時，側移和高度的關系呈四次方變化。由此可以見，在高層的結構當中，水平荷載對于結構的影響遠遠超出垂直荷載。

2 高層混凝土建筑抗震結構設計要求

想要最大程度強化高層混凝土建筑抗震效果，使其在地震程度較弱時，中等地震時，以及地震劇烈時，建筑都能夠保持結構的穩(wěn)固，不會引發(fā)傾倒。這就對設計提出了更高的要求，需結合實踐全盤考慮，以剛柔結合為原則，以及各作用力的科學合理分布，依照現(xiàn)場情況進行具體規(guī)劃，遵循“強剪弱彎”的原則起草建筑結構設計，保證建筑的整體穩(wěn)定性。

（1）在設計高層混凝土建筑時，必須掌握好結構剛度值，剛度值的強弱需要通過精準的計算與分析，以及對地質地組成和實地情況、選料性能、機械設備工作參數(shù)、物理力學等相關內容的全方位的了解來獲得。這些數(shù)據(jù)將被用來作為最終高層結構整體剛度和核心受力部分剛度設定的依據(jù)，在充分發(fā)揮連接設置調節(jié)作用的時候，對其抗震效果進行提高，并在經(jīng)過修繕之后，仍可繼續(xù)使用而不改變其使用價值。

（2）在設計結構時，設計者的側重點應放在核心構件和連接點的受力情況方面，運用合理有效的處理措施優(yōu)化其調整效果，使其達到防災減震的目的，最大限度降低地震所帶來的損失。參考與地震相關的統(tǒng)計，分析后發(fā)現(xiàn)使用剛度過于柔和的高層混凝土建筑遭受強烈地震沖擊后，主體結構大都會出現(xiàn)不同程度的損傷與破壞，在余震作用下，受到了連續(xù)的破壞后甚至會導致坍塌。這就要求在對高層混凝土建筑抗震結構設計時，不單要具備一定的剛度，還要能改善延展性特點，保證整體架構的抗震能力。

3 混凝土結構建筑抗震結構設計的有效措施

3.1 混凝土建筑抗震結構設計需求

在混凝土結構建筑抗震結構設計中，需要滿足兩個方面的需求：

（1）剛度需求。設計人員必須明確建筑施工現(xiàn)場的地形地貌、建材特性等，對建筑整體結構的剛度進行合理設計，同時以建筑結構的連接設置為輔助，對其進行一定的調整，提升建筑的抗震性能。

（2）受力需求。根據(jù)地震災害數(shù)據(jù)顯示，如果混凝土建筑剛度比較柔軟，則其在地震作用下，主體結構會出現(xiàn)嚴重損壞，甚至可能導致崩塌。因此，應該充分考慮建筑結構中連接點和構建的受力需求，采取合理有效的措施，進行相應的減震消災。

3.2 高層建筑結構抗震設計基本方法

（1）減少地震的能量輸入。積極地采用以位移為基礎的抗震設計，定量的分析也非常重要，使得結構變形的能力可以滿足地震下變形的要求。高層建筑要注意選取厚實的場地來建造高層的建筑，這樣可以很好的減少地震的能量輸入，達到減輕破壞的目的。

（2）防范地震周期。為了防止共振造成的破壞，可以積極地推廣隔震與減震的設計，防范地震周期。當下普遍所采用的都是傳統(tǒng)型的抗震體系，也就是“延性結構體系”?；炷两Y構其延性的表達如圖1所示，結構或材料上的力與變形關系以F-D表示。適當?shù)恼莆蘸媒Y構物剛度，具備適宜的非彈性狀態(tài)和良好的延性，達到消耗地震能量、減輕地震反應的目的，使的結構物“裂而不倒”。

圖1 混凝土結構延性

（3）提高結構阻尼，運用高延性構件來提高結構耗能，減輕地震影響，減小樓層的地震剪力。在高層建筑設計時，其結構材料的選擇也很重要，應先測量抗材料的抗震能力，綜合考慮材料參數(shù)的變化、地震烈度以及認識材料的模糊性等。

3.3 混凝土抗震結構

在現(xiàn)有技術條件下，混凝土結構建筑的抗震結構包括抗震層、防震縫和抗震支座等，下面分別對其設計進行簡要分析。

3.3.1 抗震層

抗震層一般位于建筑基礎的頂部，是最為基本的抗震構造形式，能夠最大限度隔離地震能量，從而保證建筑使用安全。在實際設計中，為了保證安裝和維護的便利性，需要在抗震層頂部梁底與基礎面之間留出0.8m以上的空間。從建筑功能方面分析，為了對抗震層頂部的樓板進行有效利用，可以在地下室柱頂或者墻頂設置抗震層。同時，為了改善構件的受力情況，當水平剪力較大時，可以在柱體中設置相應的減震器，將抗震層的剪力和彎矩分別傳遞到柱或者墻的上下端。

3.3.2 防震縫

防震縫是指為了防止地震對于建筑的破壞，在適當位置設置的縫隙，可以將建筑分為若干形體簡單、結構剛度均勻的獨立部分。防震縫處在地震中發(fā)生碰撞如圖2所示。

圖2 防震縫處碰撞示意圖

防震縫是在相鄰結構單元之間預先設置的間隙，目的是為了減輕或者防止在地震作用下的相互碰撞。通過設置防震縫，可以對復雜的建筑結構進行分割，形成相對規(guī)則的結構單元，從而減少建筑的扭轉、改善結構抗震性能。

在設計防震縫時，設計人員應該結合實際情況，保證其寬度的合理性。很多時候一味按照規(guī)范要求設計，在強烈地震作用下仍然可能發(fā)生碰撞；如果防震縫寬度過大，則會影響建筑立面設計。對于體形相對規(guī)則的混凝土結構建筑，可以不設置防震縫，而如果建筑的結構非常不規(guī)則，而且建筑場地并沒有限制，則應該設置防震縫，同時防震縫的寬度應該能夠滿足抗震支座在遭遇強烈地震時的位移要求，并考慮建筑與周圍構造物之間可能出現(xiàn)的相對運動。

3.3.3 抗震支座

抗震支座多用于地震影響比較大的部分或者伸縮梁較大，需要通過滑動釋放內應力的部分。一般來說，要想保證對地震作用的有效隔離，抗震支座必須具備幾個方面的性能：①應該能夠承擔上部建筑的荷載，同時變形較小，具備良好的豎向剛度和豎向承載力；②在水平方向上必須具備較小的水平剛度，以延長結構的自振周期，減少上部結構的加速度反應及下部結構的層間剪力；③必須有適當?shù)淖枘幔韵拗平Y構位移；④抗震支架的使用壽命不能少于建筑結構的使用年限。對于建筑設計人員而言，不僅需要熟悉抗震支座的各項性能，而且還應該熟練掌握其實驗方法，以保證抗震支座的耐久性和相關力學性能。

3.4 抗震支座設計要點

在對抗震支座進行設計和選擇時，通常需要注意以下幾個方面的內容：

（1）地震波設計是指通過人工地震波的方式，對抗震支座的性能進行檢驗。假定地震震級為8級，震中距50km，則在彈性分析時，輸入速度為25cm/s，在彈塑性分析時，輸入速度為50cm/s。

（2）抗震裝置計算：在輸入地震波對抗震裝置的相關參數(shù)進行計算時，去大震時固有周期目標值為3s，等效粘性阻尼比的目標值為10%。

（3）上部結構截面計算：采用基于長期應力和一次設計用剪力的地震應力，對上部結構的構件進步性容許應力設計。此時，以一次設計用建立超過輸入25cm/s的地震反應建立；當輸入波為50cm/s時，以上部結構基本上不屈服為目標進行設計。

（4）設計準則：對應地震動為25cm/s和50cm/s的地震反應分析，對于抗震支座最大位移量的確定方法為：取疊合橡膠墊的容許水平位移37.5mm的1/1.5為輸入波水平達50cm/s時的最大位移，再取此值的1/1.5為輸入水平達25cm/s時的最大值。

4 結語

在經(jīng)濟發(fā)展的帶動下，我國高層建筑不斷涌現(xiàn)，對于建筑的穩(wěn)定性和安全性也提出了更高的要求。在混凝土結構建筑中，做好抗震結構設計非常重要，直接影響著建筑整體的穩(wěn)定和安全。結合近年來地震給人們所帶來的災害，高層建筑在結構體系的選擇、設計的方法以抗震的性能等諸多的設計都給抗震事業(yè)帶來了積極的影響，對于建筑的完善起到了很大的作用。

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TU973.31

A

1673-0038（2015）45-0095-02

收稿日期：2015-10-14