高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

楊其航

（棗莊市建筑設(shè)計研究院，山東 棗莊 277100）

現(xiàn)如今，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速轉(zhuǎn)型與升級，城鎮(zhèn)化進(jìn)度的不斷加快，推動建筑行業(yè)的快速發(fā)展，特別是隨著我國高層建筑工程規(guī)模的不斷擴(kuò)張，使人們居住環(huán)境、辦公環(huán)境發(fā)生明顯改變。比如，高層建筑可以居住很多人，建設(shè)過程中需要投入很多成本，若建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計缺乏合理性，當(dāng)遭遇強(qiáng)烈地震時，極易對人們的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，因此從設(shè)計人員方面來看，需要高度重視建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)建筑工程的具體狀況，熟練掌握建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)，最終全面提升建筑工程的總體質(zhì)量，強(qiáng)化建筑工程的抗震強(qiáng)度[1]。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

1.1 設(shè)計流程

抗震設(shè)計指的是建筑工程設(shè)計時，立足于整體結(jié)構(gòu)的角度，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、軸壓比及延度等方面的設(shè)計狀況，設(shè)計行之有效的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計劃。因?yàn)殂氪ǖ卣甬a(chǎn)生的影響，我國對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重視程度越來越高，同時對《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等一系列文件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和完善，確定了建筑鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比、隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系列等指標(biāo)，同時針對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提出非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]。

所以在當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作開展過程中，應(yīng)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的類型、受力分析及結(jié)構(gòu)體系等設(shè)計，明確的抗震設(shè)計方案。另一方面，還應(yīng)結(jié)合地震強(qiáng)度對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響及各方面因素（阻尼等建筑材料、可屈服構(gòu)件剛度折減系數(shù)、結(jié)構(gòu)及彈性構(gòu)件等），設(shè)計詳細(xì)的抗震結(jié)構(gòu)方案。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)體系參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

通過對上文內(nèi)容進(jìn)行敘述可以得知，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，剛度折減系數(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其與結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的剛度折減系數(shù)存在非常大的不同，能夠直接影響建筑投入使用后的承重能力及抗震能力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常見到的彈性模量折減系數(shù)和剛度折減系數(shù)如表1、表2 所示。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)各種建筑結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，精準(zhǔn)計算建筑設(shè)計方案的抗震能力、承重能力，保證建筑工程投入使用后，可以實(shí)現(xiàn)理想的預(yù)期稱重與抗震效果。

表1 溫度作用下混凝土彈性模量的折減系數(shù)

表2 預(yù)應(yīng)力度與剛度折減系數(shù)

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要作用

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的設(shè)計要求和原則

其一，高層建筑工程結(jié)構(gòu)想要強(qiáng)化自身的抗震性，應(yīng)精準(zhǔn)計算高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的每個部分，確保工程施工圖紙和抗震設(shè)計要求相匹配，進(jìn)而強(qiáng)化高層建筑物抗震性能。根據(jù)高層建筑物結(jié)構(gòu)建設(shè)地基所在的位置，結(jié)合圖紙確定每個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場建筑狀況及施工環(huán)境，促使高層建筑物的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計符合抗震設(shè)計提出的要求。

其二，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震工作開展過程中制定的設(shè)防目標(biāo)為：當(dāng)建筑物遇到的小震低于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度時，建筑工程項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)沒有遭到破壞或者是不用修繕，方可連續(xù)使用；如果遇到的設(shè)防地震級別等同于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度時，極易破壞建筑物項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)主體，但是經(jīng)過修繕后依然能夠繼續(xù)使用，但是需要高層建筑物結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的韌性與彈性，使高層建筑結(jié)構(gòu)遇到中度地震時，可以避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，如果高層建筑結(jié)構(gòu)遇到的大震級別高于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度時，高層建筑結(jié)構(gòu)會倒塌，甚至嚴(yán)重威脅群眾的生命安全，所以這就要求其具有較強(qiáng)的變形能力，這樣可以使高層建筑遭遇罕見大震時，其主體結(jié)構(gòu)不會倒塌[3]。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要性

抗震設(shè)計工作在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用，所以對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求與基本原則同樣需要提出相關(guān)要求。就高層建筑結(jié)構(gòu)而言，抗震性能的優(yōu)劣可以對建筑物中的人員安全造成直接影響。如果遭遇地震時，高層建筑結(jié)構(gòu)往往具有較強(qiáng)的抗震性能；然而就低層建筑結(jié)構(gòu)而言，其自身的抗震性能或許不能達(dá)到高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。所以，當(dāng)遇到大地震時，通常坍塌的是低層建筑。就高層建筑結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)遭遇地震時會出現(xiàn)劇烈搖晃，因此非常有必要強(qiáng)化高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

通常而言，如果遭遇級別更高的地震時，高層建筑物的結(jié)構(gòu)與多層建筑結(jié)構(gòu)均會受到一定的損壞，為了避免地震對群眾造成不必要的損失，需要有效保證高層建筑物的抗震性能。新型房屋設(shè)計通常以高層建筑結(jié)構(gòu)為主，由于高層建筑物的結(jié)構(gòu)較高，與多層結(jié)構(gòu)設(shè)計相比具有一定的難度。所以，設(shè)計人員非常有必要加強(qiáng)建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，其設(shè)計高層建筑物結(jié)構(gòu)圖時，必須要設(shè)計好抗震結(jié)構(gòu)，如此一來可以使高層建筑物結(jié)構(gòu)符合抗震性能設(shè)計的要求。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題

3.1 建筑高度超出規(guī)定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

我國疆土遼闊，國土面積非常大，東西南北橫跨較大區(qū)域，就建筑行業(yè)而言，由于區(qū)域差異化明顯，因此不同地區(qū)對建筑物高度提出的要求迥異不同，不同地區(qū)針對建筑物高度制定了詳細(xì)的規(guī)定。就建筑企業(yè)而言，需要嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)規(guī)定與要求開展工作。但是從具體狀況來看，有些建筑企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)自身經(jīng)濟(jì)效益最大化，在施工過程中使建筑物的建設(shè)高度超過預(yù)設(shè)高度，這種情況對建筑抗震水平造成間接影響，如果遇到強(qiáng)烈地震，“超出標(biāo)準(zhǔn)”的建筑因地震外力的影響，極易出現(xiàn)破壞，從而對建筑物的安全性造成直接影響。

3.2 施工材料選擇不恰當(dāng)

高層建筑工程施工設(shè)計時，材料的選擇可以對建筑抗震水平與總體質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，特別是針對經(jīng)常發(fā)生地震災(zāi)害的板塊交界地帶，對于這些地區(qū)來說，高層建筑施工前，需要嚴(yán)格選擇施工材料。當(dāng)前，我國建筑工程施工建設(shè)過程中離不開鋼筋與混凝土這兩種主要的施工材料，若這兩種材料在設(shè)計過程中存在問題，極易改變高層建筑的結(jié)構(gòu)，因此這就需要采用相應(yīng)的措施強(qiáng)化高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度，或利用設(shè)計增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力。

3.3 地基選擇不合理

高層建筑工程施工過程中，如果選擇的地基不合理，通常會為高層建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計工作的開展增加困難。建筑物地基的概念是支撐建筑地基的土體或者是巖體，所以地基是高層建筑結(jié)構(gòu)中的根基，選擇恰當(dāng)?shù)牡鼗欣诒ＷC高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，選擇良好的地基可以確保高層建筑結(jié)構(gòu)符合建造要求，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。為了安全使用高層建筑物結(jié)構(gòu)，選擇地基時，需要讓結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性與強(qiáng)度符合基本要求。因?yàn)榈鼗休d著高層建筑結(jié)構(gòu)上部分的重力，所以非常有必要保證結(jié)構(gòu)的可靠性與強(qiáng)度。

如果地基選擇不合理，會直接影響高層建筑物結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性和安全性，若承載力不能符合高層建筑施工的相關(guān)要求，就會改變高層建筑物結(jié)構(gòu)。雖然這棟建筑結(jié)構(gòu)在地震中出現(xiàn)傾斜的情況，但是從整體結(jié)構(gòu)來看相對完整，這種現(xiàn)象對建筑物的強(qiáng)度帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，主要是因?yàn)檐浲恋鼗斐傻挠绊?，其是建筑工程傾斜的主要因素，高層建筑物的地基與打樁深度沒有任何損壞，例如常規(guī)超高層建筑中，高層建筑物應(yīng)將打樁深度保持為建筑物高度的1%，這樣當(dāng)高層建筑遇到地震時，傾斜的可能性非常小[4]。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

4.1 注重建筑結(jié)構(gòu)整體性

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作開展過程中，建筑結(jié)構(gòu)的總體性決定著其抗震性能，設(shè)計過程中需要采用恰當(dāng)?shù)氖侄?，如此一來可以?shí)現(xiàn)理想的抗震設(shè)計效果，提升建筑結(jié)構(gòu)的完整性。高層建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，需要綜合考量構(gòu)件損壞的情況，避免高層建筑出現(xiàn)延性剪切的現(xiàn)象，通過有效解決構(gòu)件問題，采用強(qiáng)剪弱彎的手段，提升高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平。受到地震的影響，損壞高層建筑的剪切力不同于因地震造成的抗剪切力損壞構(gòu)件問題。高層建筑物應(yīng)高度重視延性，強(qiáng)化其抗震能力，有效開展高層建筑抗震設(shè)計工作，實(shí)現(xiàn)理想結(jié)構(gòu)延展性效果。比如，通過加強(qiáng)對受拉鋼筋配筋率的控制，提升高層建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與整體性，增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，完善與創(chuàng)新高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)方式，提升建筑結(jié)構(gòu)的精密性[5]。另外，還需要科學(xué)合理地控制高層住宅建筑的夯實(shí)狀況，確保地基的穩(wěn)定性與牢固性，強(qiáng)化地基對建筑總體承載能力，科學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計抗震墻，利用加固梁柱節(jié)點(diǎn)等措施，強(qiáng)化高層住宅解決水平剪應(yīng)力的能力。

4.2 選擇合適的建筑材料

高層建筑工程的施工質(zhì)量與抗震性能的好壞主要取決于建筑材料的質(zhì)量，高層建筑作業(yè)期間，針對高層建筑施工質(zhì)量和抗震設(shè)計應(yīng)加大控制力度，這就需要科學(xué)選擇建筑材料，確保應(yīng)用在建設(shè)過程中的材料與相關(guān)要求相匹配。高層建筑作為一種體量較大的項(xiàng)目，在施工建設(shè)過程中需要使用很多的建筑材料，所以挑選材料過程中應(yīng)綜合考量多個方面的因素，這樣能夠快速增強(qiáng)高層建筑建設(shè)結(jié)構(gòu)的抗震能力。高層建筑工程施工時，還需要依據(jù)施工場地的建設(shè)情況，對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、環(huán)境等進(jìn)行深入分析，挑選符合抗震要求的高質(zhì)量施工材料，特別是在我國一些頻發(fā)地震災(zāi)害的地區(qū)，復(fù)合材料是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中經(jīng)常使用的一種材料，通過注重高層建筑結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，強(qiáng)化高層住宅防范地震災(zāi)害的能力，減輕建筑總體重量，確保完好的質(zhì)量效果，避免地震災(zāi)害，為居民創(chuàng)設(shè)良好、安全的居住環(huán)境。

4.3 選擇合理的地基位置

當(dāng)發(fā)生地震時，為了使高層建筑更好地保護(hù)人員生命安全，減少不必要的財產(chǎn)損失，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)牡乩砦恢?。?dāng)高層建筑遭遇地震時，會出現(xiàn)程度不一地?fù)p壞。所以，就高層建筑而言，應(yīng)挑選有利于抗震的地理位置建設(shè)高層建筑，防止高層建筑受到自然災(zāi)害影響，減少地震對其造成的不必要損失[6]。針對地基的挑選，需要采用恰當(dāng)方式全面勘察建筑地塊，然后明確符合層數(shù)較高建筑住宅的位置，防止高層建筑在劣質(zhì)地基段施工建設(shè)。高層建筑結(jié)構(gòu)的等級可以對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，所以挑選恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠防止因地基選擇不恰當(dāng)對高層建筑結(jié)構(gòu)造成不利影響。

當(dāng)挑選地基時，必須要全面了解地基周邊的水文地質(zhì)狀況，確保高層建筑結(jié)構(gòu)擁有一個合理的修建場所，避免因水文地質(zhì)的影響，降低高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。施工設(shè)計工作人員需要反復(fù)討論高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方案，多聆聽專家提出的意見，最終確定適合高層建筑抗震的施工方案。

5 結(jié)論

總而言之，地震屬于一種經(jīng)常見到的自然災(zāi)害，可以對人們的生命財產(chǎn)安全帶來直接影響，高層建筑工程施工建設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)抗震設(shè)計，這需要得到設(shè)計人員的高度關(guān)注。設(shè)計人員需要根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中存在的一系列問題，通過注重住宅結(jié)構(gòu)總體性、選擇合適的建筑材料及選擇合理的地基位置針對性地解決措施，增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，實(shí)現(xiàn)理想的抗震效果，最終為建筑行業(yè)健康穩(wěn)定的良性發(fā)展保駕護(hù)航。