高層建筑抗震設(shè)計探究

郝存毅　易洪宇

摘 要 目前，我國高層建筑已經(jīng)成為比較常見的建筑形式。地震對建筑的破壞性較大，人們對建筑物抗震的關(guān)注度也隨著經(jīng)濟發(fā)展逐漸提高。高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計時更應(yīng)注意抗震的相關(guān)問題，采取一定的措施來減少損失和保障安全。本文對高層建筑的抗震設(shè)計相關(guān)問題進行了分析，簡要闡明了高層建筑抗震設(shè)計的關(guān)鍵影響因素和原則要求，說明現(xiàn)存問題并提出抗震設(shè)計措施，希望能對提高高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量有所幫助，為人們提供更好的環(huán)境，從而促進建筑工程行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 高層建筑 地震 抗震設(shè)計 抗震效果

中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）03-0007-03

地震作為一種自然災(zāi)害，難以預(yù)料，其對建筑結(jié)構(gòu)破環(huán)較大，易造成損失和安全問題，因此在建筑設(shè)計時應(yīng)考慮抗震設(shè)計[1]。隨著人口的不斷增長，人們的需求增加的同時，高層建筑的數(shù)量也在增加。在這種情況下，我們應(yīng)更加重視高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是地震多發(fā)的區(qū)域。與此同時，關(guān)于高層建筑的抗震措施和技術(shù)也應(yīng)與時俱進，以此來提供更好的辦公和居住環(huán)境。

1 抗震設(shè)計的重要性

我國地域廣闊，包含了不少地震帶，地震發(fā)生次數(shù)較多，世界各大陸地震中大約1/4的大地震發(fā)生在我國，對人們造成的傷害不言而喻。因此，我們迫切需要做好預(yù)防地震的措施，使建筑物的穩(wěn)定性和抗震能力得到提高，從而減少對人們的傷害和損失。

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，高層建筑已經(jīng)較為普遍。高層建筑雖然在一定程度上代表了繁榮，但同時也會產(chǎn)生許多的問題，國家已經(jīng)開始嚴格監(jiān)管高層及超高層建筑了。例如，2021年就出臺了相關(guān)規(guī)定，控制新建的超高層建筑。根據(jù)我國的發(fā)展情況，高層建筑還會進一步發(fā)展，需要逐漸提升相關(guān)技術(shù)，而這里面的抗震設(shè)計就顯得格外重要。目前我國的抗震方面的技術(shù)在國際上并不領(lǐng)先，亟需國家完善有關(guān)制度和政策，明確高層建筑抗震設(shè)計的相關(guān)標準[2]，使大家對高層建筑抗震設(shè)計的重要性認識得到提高。

2 抗震效果的關(guān)鍵影響因素

2.1 工程所需資料的準備

在進行抗震設(shè)計前，首先需要準備相應(yīng)的工程資料，這些資料包括建筑設(shè)計的參數(shù)、建筑場地的地質(zhì)條件等。這些資料的收集和處理對建筑設(shè)計有著重要的影響，設(shè)計人員需要根據(jù)這些資料進行分析設(shè)計，來完成對高層建筑的抗震設(shè)計[3]。例如，通過對地質(zhì)條件的勘測，提前預(yù)防躲避，避免山體滑坡、地基塌陷等地質(zhì)災(zāi)害對建筑物的破壞。

2.2 高層建筑物的抗震設(shè)計

建筑物的抗震設(shè)計對建筑物抗震效果的影響是顯而易見的，所以需要重視建筑物設(shè)計方面的科學(xué)性、合理性。而抗震設(shè)計主要取決于設(shè)計的人員，因此設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗、理論知識的應(yīng)用等方面的因素都會影響到最終的抗震設(shè)計。

在抗震設(shè)計時，要針對建筑物的實際情況具體分析，尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要對抗震性能進行不斷的優(yōu)化。例如，在進行不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要調(diào)整偏心距、扭轉(zhuǎn)力之間的關(guān)系，調(diào)整扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。通過各方面的調(diào)整后，提高建筑物的抗側(cè)力水平[4]。在設(shè)計人員方面，也應(yīng)多人考慮，層層把關(guān)，將多人的經(jīng)驗和知識相結(jié)合，相互彌補，最終得到較為適合的設(shè)計方案。

2.3 實際施工過程

實際施工的質(zhì)量是抗震性能的重要保障。應(yīng)當對建筑材料進行合理地選擇，不同材料的性能、承載力等方面都會不同，選用不同的材料，會對建筑物的抗震性能產(chǎn)生較大的影響。這就需要全面分析高層建筑結(jié)構(gòu)、剛度等，再對建筑材料進行選擇，避免因為材料選取的不恰當，而影響抗震設(shè)計的實際效果。例如，可以選擇輕質(zhì)材料減輕自重或者新的隔震、抗震材料來使抗震效果增強。除了建筑材料的嚴格選取外，在施工時的各個環(huán)節(jié)都需要密切監(jiān)督，把握好實際施工的質(zhì)量，在任何環(huán)節(jié)都不可放松警惕。只有這樣，才可以與其他的方面相配合，使高層建筑物達到理想的抗震效果。

3 抗震設(shè)計的要求和原則

3.1 確定合適的結(jié)構(gòu)體系并滿足整體性要求

高層建筑物是由各個部分組成的一個完整的結(jié)構(gòu)體系，并且具有一定的整體性，這關(guān)系到建筑物抗震能力的強弱。確定結(jié)構(gòu)體系時，應(yīng)當結(jié)合不同地區(qū)的具體情況，滿足當?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度的要求。與此同時，要結(jié)合建筑物設(shè)計的建筑高度、建筑選地等其他各種因素來進行結(jié)構(gòu)體系的確定，保持結(jié)構(gòu)剛度、強度等因素的協(xié)調(diào)。高層建筑結(jié)構(gòu)的整體性提高，其抗震能力也會提高，例如強柱弱梁、預(yù)制混凝土樓板的連接等措施，其實都是為了提高結(jié)構(gòu)的整體性。構(gòu)件之間的可靠連接可以使構(gòu)件的承載能力得到充分的發(fā)揮，同時，也可以更好地滿足在地震時結(jié)構(gòu)剛度、強度的要求[5]。不僅是結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對于內(nèi)隔墻、女兒墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也應(yīng)當采取相應(yīng)的措施，可以將非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料進行替換，使其在連接處可以有一定的形變空間。如果想提升整體剛度，也可以改變材料性能，讓非結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定的承載力，例如將填充墻改為抗震墻。

3.2 選擇合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以滿足結(jié)構(gòu)剛度要求

各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件要滿足剛度要求不發(fā)生破壞，才可以使整體結(jié)構(gòu)不被破壞。設(shè)計人員需要根據(jù)尺寸、材料等因素來確定整體結(jié)構(gòu)要滿足的剛度要求，并且通過各種技術(shù)與建筑材料來控制結(jié)構(gòu)變形和保障結(jié)構(gòu)剛度，而這就需要結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足一定的質(zhì)量要求，其應(yīng)當具有良好的延性，這樣也可以提升建筑抗震設(shè)計的實際水平。

由此可見，整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)將剛度和柔度協(xié)調(diào)好。結(jié)構(gòu)太剛會讓結(jié)構(gòu)進行硬性碰撞，容易使局部破壞。而結(jié)構(gòu)太柔，延性變形過大，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移過大等致命問題[6]。所以這就需要設(shè)計者運用專業(yè)知識進行嚴格設(shè)計和選擇。

3.3 選擇合適的場地并且多道設(shè)防

選擇良好的地基和基礎(chǔ)是首先要考慮的問題，對于高層建筑更為重要。在選擇場地時，應(yīng)當讓專業(yè)人員事先進行勘測和評估，避開不利的地質(zhì)條件區(qū)域，選取抗震性能較好的場地進行建設(shè)。例如，避免軟土較多的區(qū)域、地質(zhì)存在裂縫區(qū)域和可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域等等。在對基礎(chǔ)和地基進行施工時，也要嚴格要求，這是高層建筑物關(guān)于抗震性能關(guān)鍵的第一步。

在設(shè)置防震措施時應(yīng)設(shè)立多道地震防線，如果只有一道防線，那么抗震效果會比較差。地震在縱波和橫波之后，還會有不同程度的余震等震動，這會導(dǎo)致即將倒塌破壞的構(gòu)件被進一步破壞，如果設(shè)置多道防線的話，相當于構(gòu)成了一個保護的體系，多層保護可以避免部分構(gòu)件被繼續(xù)破壞的情況，從而減少損失和傷害。

3.4 注意高層建筑形狀和結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

高層建筑物的立面和平面形式會影響建筑物的抗震性能，因此在設(shè)計時應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。高層建筑設(shè)計時應(yīng)盡量滿足規(guī)則性，將平面設(shè)計成對稱面，這樣有利于對建筑的破環(huán)程度進行監(jiān)測和評估。隨著社會的發(fā)展，建筑物在美觀方面的要求也逐漸提高，出現(xiàn)了不少的不規(guī)則設(shè)計。但是仍然要注意，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，需要符合建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準，在追求建筑個性化美觀的同時，也要注意抗震性能的要求，需認真及時地分析調(diào)整設(shè)計中的不規(guī)則問題。如果這些局部的不規(guī)則問題不能被很好地處理，那么就會嚴重影響建筑物的抗震性能，所以分析抗震實施的技術(shù)要點，對不規(guī)范的問題進行處理具有重要的意義[7]。

4 高層建筑設(shè)計存在的問題

隨著城市化的發(fā)展，高層建筑也隨之興起。在高層建筑的設(shè)計中，工程師和設(shè)計者往往沒有有效地結(jié)合實際的各種特點來落實建筑結(jié)構(gòu)的抗震建設(shè)。現(xiàn)階段我國高層建筑的建設(shè)問題仍然存在，這使高層建筑的整體質(zhì)量和耐久性受到嚴重威脅，不利于發(fā)揮高層建筑的抗震性能。

4.1 高層建筑選址問題

城市人口不斷增加，對建筑的需求也在增加，而城市的土地資源有限，開發(fā)商為了謀取利益，會盡量開發(fā)土地資源，從而降低了開發(fā)地址選擇的標準。在這種情況下，地質(zhì)條件就會有更多的不確定性，會對建筑物的抗震性能產(chǎn)生一定的影響[8]。而高層建筑對地基的要求更加嚴格，要保證土質(zhì)密實，考慮多方面因素，如果選擇不完全合適的場地作為地基，會造成更大的安全隱患。

4.2 高層建筑材料問題

建筑材料的質(zhì)量直接關(guān)系到建筑物整體的質(zhì)量，因此在建筑材料的選取上應(yīng)嚴格分析與把控。而少部分商家為了獲得更多的利益，在建筑材料的選擇上并沒有嚴格把關(guān)，這會導(dǎo)致建筑物的抗震性能降低，對高層建筑的影響更為巨大。在真正遭遇地震時，會致使建筑結(jié)構(gòu)被破壞，造成損失和傷害，具有很大的安全隱患。所以在選取材料時必須保證質(zhì)量，這樣才能使抗震能力符合要求。

4.3 高層建筑的高度問題

隨著人口的不斷增長，土地資源變得越來越緊張。少數(shù)承包商為了獲得更多利益，將實際建筑高度設(shè)置為高于設(shè)計安全高度，完全無視建筑安全。當實際高度超過安全高度時，建筑物的抗震性能就會顯著降低，在發(fā)生地震時，對人類生命造成嚴重威脅的可能性會增加。而國家在這方面的監(jiān)管力度也在不斷加大，在2020年和2021年都出臺了相關(guān)政策對高層建筑的建設(shè)進行限制。在國家的嚴格監(jiān)督下，相信以后這方面的問題也會逐漸減少。

5 提高高層建筑抗震設(shè)計質(zhì)量的措施

5.1 利用現(xiàn)代先進的信息技術(shù)

設(shè)計技術(shù)對高層建筑的抗震設(shè)計會產(chǎn)生較大的影響。以前的設(shè)計都是依靠設(shè)計人員的人力進行計算分析，而現(xiàn)在技術(shù)有了很大的進步，可以利用BIM技術(shù)、有限元等軟件對抗震結(jié)構(gòu)進行必要的計算分析和可視化模擬，有利于問題的解決，最終使抗震設(shè)計更加合理[9]。并且，還可以建立完整的信息化技術(shù)體系，利用BIM技術(shù)整合各種項目的相關(guān)信息，使工程涉及的各個團體都能對建筑信息得到正確理解，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本等方面發(fā)揮了重要作用。

5.2 保證結(jié)構(gòu)參數(shù)的準確

在高層建筑抗震設(shè)計時，應(yīng)對實際建筑的位置、地質(zhì)環(huán)境等進行全面的勘測，以得到準確的數(shù)據(jù)，高層建筑的抗震設(shè)計以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)就會更加精確，而結(jié)構(gòu)設(shè)計也會更加合理，與實際情況相符。并且在設(shè)計時，可以利用計算機軟件和現(xiàn)代的技術(shù)建立模型，并進行計算，保障結(jié)構(gòu)參數(shù)的準確和合理，從而提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強其抗震能力。

5.3 選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系有很多，包括框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)和鋼砼混合結(jié)構(gòu)等。高層建筑結(jié)構(gòu)各體系的適用范圍不同，在進行抗震設(shè)計時要針對高層建筑的實際情況，采用合理的結(jié)構(gòu)體系。這不僅需要考慮結(jié)構(gòu)的豎向受力和抗側(cè)力構(gòu)件的布置，同時也要設(shè)立多道地震防線，并且不斷地調(diào)整不規(guī)則設(shè)計，進行立面與平面的協(xié)調(diào)，使其達到所需的抗震效果。

5.4 采用高延性結(jié)構(gòu)和減隔震技術(shù)

高延性設(shè)計可吸收更多地震能量，承受更大的變形，并減少地震造成的破壞。當建筑物設(shè)計為塑性結(jié)構(gòu)時，雖然結(jié)構(gòu)的變形會增加，但地震力不會迅速增加，內(nèi)力也就不會增加，因此塑性結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)構(gòu)的承載能力要求。同時，還可以利用減震和隔震技術(shù)來提高建筑物的抗震性能?？砂惭b隔震支架，增加整個結(jié)構(gòu)的自振周期，從而減少輸入地震效應(yīng)，起到預(yù)防作用[10];阻尼器等裝置也可用于吸收提供給結(jié)構(gòu)的能量，降低主體結(jié)構(gòu)的地震作用，這也將提高建筑物的抗震能力。

6 結(jié)語

地震是無法預(yù)料的自然災(zāi)害，需要及時采取措施來預(yù)防。高層建筑的抗震設(shè)計會直接影響到人們的安全問題，并且我國的高層建筑數(shù)量也在增長，因此必須高度重視這個問題。雖然我國在工程技術(shù)方面擁有豐富的經(jīng)驗，但也需要不斷地探索和提高。設(shè)計人員在進行高層建筑抗震設(shè)計時要注意到抗震效果的影響因素，滿足抗震設(shè)計的原則和要求，并采取相應(yīng)措施保證高層建筑的抗震能力，減少安全隱患，為人們的生活和工作提供更加有力的保障。

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