高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究

徐志鵬

摘? 要：當(dāng)前，為有效緩解土地資源緊缺問題，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高層化的發(fā)展趨勢，高層和超高層建筑的出現(xiàn)有效實現(xiàn)了地下地上空間資源的合理利用。但因為高層建筑的高度較大，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求相對較高，因此為實現(xiàn)抗震性優(yōu)化設(shè)計，需專業(yè)設(shè)計人員從綜合性角度著手，采取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法?；诖耍疚闹攸c分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計影響因素和設(shè)計策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;抗震優(yōu)化

中圖分類號：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）02-0000-00

現(xiàn)階段，我國的高層建筑項目逐年增多，因為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的日漸提高，給各個高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工帶來了巨大難題。因此，抗震性已然成為了高層建筑設(shè)計中人們關(guān)注的重點問題，抗震性是否達(dá)標(biāo)，將決定高層建筑是否具有強大的地震或者其他外力的抵御能力。由于影響結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的因素較多，為達(dá)到抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)設(shè)計人員應(yīng)加強對先進(jìn)設(shè)計理念和方法、技術(shù)的應(yīng)用。

1高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容

在我國建筑行業(yè)不斷發(fā)展的過程中，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了明確的標(biāo)準(zhǔn)，在相應(yīng)的規(guī)范中，明確指出：10層或者10層以后且高度在28m以上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑就是高層建筑，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)高度超過100m時，就是超高層建筑，30層左右且接近100m的建筑為高層建筑，50層左右且高度在200m以上的為超高層建筑。就我國當(dāng)下建筑行業(yè)的發(fā)展來看，高層建筑的防裂度大多為8度，可以抵御6級地震。為達(dá)到高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，抗震設(shè)計應(yīng)從承載力、剛度、穩(wěn)定性的角度出發(fā)，在出現(xiàn)地震災(zāi)害的情況下，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在承受劇烈抖動的情況下不出現(xiàn)倒塌。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)保持規(guī)則性和對稱性、整體性;立面與豎向剖面應(yīng)規(guī)則，側(cè)向剛度應(yīng)保持均勻的變化趨勢;豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸、材料強度應(yīng)遵循從上到下逐步增大的原則，嚴(yán)禁出現(xiàn)側(cè)抗力結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和承載力的突變。

2影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的相關(guān)因素

2.1地基

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，地基對于整個結(jié)構(gòu)性能的影響非常大，在結(jié)構(gòu)抗震性能方面，很多高層建筑在遇到強烈地震災(zāi)害時，常常由于地基問題引發(fā)結(jié)構(gòu)安全問題，如果地基形式選擇不當(dāng)，整個高層建筑的抗震性能將難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，對厚軟弱沖積土層條件下的高層建筑結(jié)構(gòu)，更容易受到其他作用力的影響產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)破壞。因此，高層建筑項目實施中，地基多選擇在開闊平坦地帶的堅硬土層、密實均勻中硬土層條件下，最好遠(yuǎn)離河岸，否則，地基土的液化或者軟化都將會加劇地基的不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的難度系數(shù)增多。

2.2建筑物高度

建筑物高度同樣是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中需關(guān)注的重點問題，從當(dāng)下我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在一定的結(jié)構(gòu)形式下，對于鋼筋混凝土高層建筑高度有著對應(yīng)的高度限制，在此高度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)抗震性是比較合理的，但一旦超出了這一高度限制，整個結(jié)構(gòu)抗震性的目標(biāo)將難以達(dá)到。但就當(dāng)下的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面，部分高層建筑的高度超出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的高度限制，使得在地震作用力下，引起了建筑結(jié)構(gòu)的變形或者坍塌。因此，建筑物高度同樣是抗震設(shè)計中需關(guān)注的一大因素。

2.3材料的選用和結(jié)構(gòu)體系

我國部分地區(qū)處于地震多發(fā)區(qū)，在此區(qū)域中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需強化抗震設(shè)計，在整個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，材料和結(jié)構(gòu)體系的選擇均符合抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)我國當(dāng)下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計情況，對于150m以上的建筑形式，主要包含了框-筒、筒中筒、框架-支撐體系。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，材料選擇和結(jié)構(gòu)體系設(shè)計都會影響到最終的抗震性能。我國當(dāng)前的建材市場上，鋼材種類逐步增多，不同鋼材的性能也有著明顯的差距，整體來看，鋼結(jié)構(gòu)的加工和制造能力都大大提升，這就給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的材料選擇提供了更多的選擇，很多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選用的是鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，通過這些結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，有效減小了柱斷面尺寸，整個結(jié)構(gòu)的抗震性得以優(yōu)化。

3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化措施

3.1基礎(chǔ)抗震設(shè)計

3.1.1場地選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因為基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)性能的影響非常大，因此，在結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計上，應(yīng)該從基礎(chǔ)設(shè)計的優(yōu)化出發(fā)，具體從工程場地的選擇出發(fā)。從地震的發(fā)生機理來看，地殼運動是主因，因此，地震具有極大的危害性和突發(fā)性，雖然在不斷的技術(shù)進(jìn)步下，地震預(yù)警能力大大提升，但地震所造成的危害依舊是巨大且難以消除的。地震災(zāi)害出現(xiàn)的同時伴隨著周邊的地質(zhì)運動，而這些地震作用力引起了建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的松動和破壞?；趫龅剡x擇對建筑結(jié)構(gòu)的重要影響，在抗震設(shè)計優(yōu)化時，應(yīng)加強對建筑場地的綜合對比，盡量選擇在地勢開闊、地質(zhì)堅硬的場地，且要盡量遠(yuǎn)離河岸、山坡邊緣等特殊環(huán)境。如果在高層建筑建設(shè)時必須要在這些特殊場地內(nèi)實施，應(yīng)做好相應(yīng)的抗震設(shè)計和加固處理。

3.1.2地基設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)中的地基設(shè)計同樣非常重要，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑地基設(shè)計的方法越來越多，不同的地基設(shè)計方法適用于不同的地基條件，地基設(shè)計是否合理將與整體的建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性有著直接的聯(lián)系。因此，在高層建筑的抗震設(shè)計中，同樣需注重地基設(shè)計，對于同一個建筑而言，最好選擇同一性質(zhì)的地基，單獨選用樁基結(jié)構(gòu)或者利用天然地基條件。地基處理的過程中，應(yīng)由專業(yè)人員來做好充分的現(xiàn)場條件調(diào)查，保障地基處理方法的有效性，使得地基基礎(chǔ)的受力盡可能均勻，針對地基中可能存在的沉降、承載力問題，應(yīng)做好相應(yīng)的地基加固設(shè)計。

3.1.3基礎(chǔ)設(shè)計

近年來，我國的經(jīng)濟社會發(fā)展水平顯著提升，整個社會的集聚效應(yīng)越來越明顯，在地震災(zāi)害出現(xiàn)以后，所造成的人員損失和建筑結(jié)構(gòu)破壞都是非常嚴(yán)重的。在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計上，應(yīng)保障基礎(chǔ)設(shè)計的合理性，使得基礎(chǔ)具有極強的承載力能力。高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計中，專業(yè)設(shè)計人員需根據(jù)對應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)增大埋設(shè)深度，增大建筑物的嵌固程度，使其具備更好的結(jié)構(gòu)性能。因此，基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)加大基礎(chǔ)埋深，通過基礎(chǔ)加深和夯實來提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。此外，因為高層建筑中的基礎(chǔ)是與上部結(jié)構(gòu)緊密連接的，二者之間的連接效果同樣會影響到整個建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，相關(guān)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需注意基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的連接處理，保障建筑結(jié)構(gòu)的整體性。

3.2結(jié)構(gòu)構(gòu)造的抗震設(shè)計

3.2.1地基采用特殊材料隔震

建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造的抗震設(shè)計應(yīng)該開展地基的隔震處理，基礎(chǔ)隔震主要是對建筑基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚沟迷诮?jīng)由這一處理以后，地震作用發(fā)生的過程中，地震作用力對地基基礎(chǔ)的不利影響降至最小，傳統(tǒng)的地基基礎(chǔ)隔震處理中，主要是通過在基礎(chǔ)位置交替進(jìn)行砂子和粘土的鋪設(shè)，或者直接進(jìn)行砂子層或者粘土墊層的鋪設(shè)來提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗震性能，有效減小地震作用力對地基所造成的破壞。隨著當(dāng)前人們對建筑結(jié)構(gòu)抗震性的日漸重視，在基礎(chǔ)隔震處理上，很多工程企業(yè)采用了瀝青材料，通過這種隔震層的設(shè)置，有效提升了地基基礎(chǔ)的抗震能力。

3.2.2建筑基礎(chǔ)設(shè)置隔震

在建筑基礎(chǔ)的隔震設(shè)計上，主要是在基礎(chǔ)位置和上部建筑之間進(jìn)行特殊裝置的安裝，通過這一特殊裝置來減弱地震作用力的向上傳遞，控制地震能量波。基礎(chǔ)隔震裝置的設(shè)置，在一定條件下甚至可以減少地震對建筑傳遞的2/3能量。但是，從現(xiàn)實情況來看，裝置減震措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用效果并不理想，裝置設(shè)置以后，建筑結(jié)構(gòu)的自振周期大大延長，減震效果無法達(dá)到預(yù)期，可以選用粘彈性隔震、摩擦滑移隔震處理、橡膠墊裝置等的設(shè)置來保障基礎(chǔ)抗震性。

3.2.3建筑層間隔震措施

載破舊建筑的改造過程中，層間隔震設(shè)計的方法相對適用，在利用這種方式提高建筑抗震性的過程中，整體的施工操作更為便捷。但是，層間隔震處理方式與隔震裝置設(shè)計相比較，其隔震的效果并不理想，一般僅能夠?qū)Φ卣鹉芰康?/10～1/3加以控制。建筑層間隔震中，需在高層建筑的不同樓層間隔內(nèi)進(jìn)行減震裝置的設(shè)置，通過減震裝置，地震能量的破壞力得到了一定的控制和削弱。

3.2.4建筑結(jié)構(gòu)懸掛隔震

懸掛隔震處理同樣是高層建筑抗震設(shè)計中的重要方式，在具體的處理中，主要是將建筑的大部分結(jié)構(gòu)或者整體結(jié)構(gòu)加以懸掛，通過懸掛結(jié)構(gòu)的形成來進(jìn)一步減小地震作用力干擾。在地震災(zāi)害出現(xiàn)的過程中，地震能量基本上不會傳遞到懸掛結(jié)構(gòu)中，大型的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，懸掛隔震的抗震設(shè)計方法較為適用，當(dāng)下很多的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，幾乎都采用的是懸掛隔震的處理方式。一般情況下，大型鋼結(jié)構(gòu)中都包含了主框架和子框架，在懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計時，子框架通過吊桿或者索鏈懸掛于主框架上，在地震發(fā)生時，雖然主框架會由于地震能量而出現(xiàn)搖擺的情況，但由于在子框架和主框架之間存在吊桿和索鏈，地震作用力在經(jīng)由這些連接部件傳輸時會發(fā)生一定的削弱，整體的結(jié)構(gòu)抗震性有所保障。

3.3設(shè)置多道抗震防線

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，通過抗震防線的設(shè)計，可以使得建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力大大提高，但抗?fàn)幏谰€設(shè)計時，不僅僅要設(shè)置一道，應(yīng)結(jié)合高層建筑的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置多道，以最大程度上減小地震作用力對建筑結(jié)構(gòu)的危害。在高層建筑設(shè)置了多道抗震防線以后，即使第一道防線的構(gòu)件在巨大的地震作用力下受到了破壞，其他的抗震防線也可以依次發(fā)揮其對地震作用力的抵御能力，這對控制建筑結(jié)構(gòu)傾斜、倒塌極為有效。專業(yè)設(shè)計人員在抗震放線的設(shè)計上，可以通過框架剪力墻、筒中筒等多種結(jié)構(gòu)形式來保障其結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.4綜合使用各種隔震措施

近年來，高層建筑已然成為了建筑領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)形式，為滿足高層建筑的結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計人員在設(shè)計時大多都采用了延性的結(jié)構(gòu)方式，延性結(jié)構(gòu)方式的利用，對建筑物的剛硬程度實現(xiàn)了有效的控制，即使發(fā)生了地震災(zāi)害，建筑物中的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以處于塑性條件下，這種狀態(tài)下的地震釋放作用力得到了一定的釋放，有效減小了地震作用力對建筑結(jié)構(gòu)所造成的損壞。總之，在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計上，為提升其結(jié)構(gòu)抗震能力，需注重多種隔震措施的綜合使用。

4結(jié)語

隨著高層建筑項目的增多，雖然這種類型的建筑結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了空間資源的有效利用，但對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求卻非常高，其中，抗震性是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需關(guān)注的重點設(shè)計方面，有關(guān)設(shè)計人員需從高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，采取恰當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)計方法。

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Seismic Design of High-rise Building Structures

XU Zhipeng

（Taizhou Civil Architecture Design Co.， Ltd.，Taizhou Zhejiang? 318000）

Absrtact： At present， in order to effectively alleviate the shortage of land resources， building structures are showing a trend of high-rise development. The emergence of high-rise and super high-rise buildings effectively realizes the rational use of underground and above-ground space resources. However， because of the large height of high-rise buildings， the requirements for structural design are relatively high. Therefore， in order to achieve optimal seismic design， professional designers must start from a comprehensive perspective and adopt appropriate design methods. Based on this， this article focuses on the analysis of the seismic design influencing factors and design strategies in the structural design of high-rise buildings for reference.

Keywords： high-rise building; structural design; seismic optimization