高层建筑结构抗震设计技术研究

【关键词】高层建筑；结构；抗震设计 

　　1 影响建筑工程抗震能力的主要因素 

　　1.1 建筑结构的抗震设计标准。国家为了规范建筑的抗震设计，出台了一系列的标准，其中的抗震设防烈度就是一个十分重要的标准，对于规范我国的建筑抗震设计具有十分重要的意义。在实际的抗震设计当中主要包括以下几个方面的工作：第一，根据建筑所在地区的小震效应对建筑的各个构建的承载能力进行科学的计算，从而了解高层建筑在小震情况下的结构弹性形变的情况。第二，计算大震情况下的建筑弹性形变，从而确保设计能够达到第三水准的抗震要求。抗震设计目标是整个高层建筑抗震设计的大方向，所有的抗震设计工作都围绕着抗震设计目标而进行，因此对于建筑的抗震设计具有重大的意义。 

　　1.2 建筑工程抗震设计是否合理。所谓抗震设计主要是对建筑的结构形式进行合理的设计，并对建筑结构抗震措施加以选择，保障建筑结构具有稳定的抗震性，在地震灾害威胁的情况下要确保建筑结构不倒。高层建筑物对抗震设计有着比普通建筑更高的设计要求，通常选择现浇剪力墙结构、框架―――剪力墙结构作为高层建筑物的首选结构类型。这种类型的建筑结构强度高、在外力的强烈作用下，能够维持建筑结构的平稳性，抗震效果非常明显。建筑工程抗震设计的合理性是确保建筑抗震性能的基本保障。 

　　1.3 建筑工程施工质量。建筑工程施工质量直接影响建筑物的使用性能，在地震振幅的强烈刺激下，建筑物的稳固性很难得到保障，为此必须对建筑物施工质量进行严格的控制，规范建筑施工工序，加强质量监督与检验工作，提高建筑物的整体质量，保障建筑物的高抗震性。 

　　2 建筑材料对建筑物抗震效果的影响与应用 

　　高层建筑的结构抗震设计在本质上就是对建筑中各个构件的延性进行整体的协调和把握，最后使建筑整体在发生地震的时候能够保持稳定。在进行建筑材料的选择过程当中应该充分考虑抗震的性能，但是在实际的建设过程当中还要兼顾建筑的成本和造价控制，尽可能通过科学合理的设计在，用尽可能少的材料达到最佳的抗震效果，在二者之间寻找一个最佳的位置。 

　　建筑材料的使用性能对建筑物的质量有着决定性的影响，提高建筑物的抗震性，首先要确保建筑材料的质量。在钢筋的使用上应该尽可能的选择韧性较高的产品。垂直方向受力钢筋应该选择热轧钢筋，等级至少达到HRB400级和HRB335级，而箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。在对建筑材料进行选择时，通常要选择强度高、安全性好，以及具有良好耐久性的建筑材料，研究实践表明，高性能的建筑材料在提高建筑结构的使用性能与使用寿命方面具有不可替代的作用。 

　　混凝土是目前我国建筑工程领域所普遍运用的人工石材，它的出现极大的改变了世界建筑工程领域的发展状况，为促进我国建筑工程领域的发展起到了极大的推动作用。但混凝土建筑材料却属于脆性材料，从建筑结构抗震的角度进行分析，混凝土材料不利于建筑结构的抗震性，为此不应作为结构性材料应用到建筑结构当中。目前主要通过对建筑结构进行科学合理设计以及采用钢筋来化解混凝土的脆性。通常状况下对混凝土自身的性能进行改良，提高混凝土建筑结构的抗震性能主要从以下几个方面加以着手：首先，要对混凝土搅拌过程中的用水量进行严格的控制，水对混凝土的水化反应以及混凝土的和易性都产生至关重要的影响，决定混凝土的性能，为此在混凝土加工、搅拌、运输、使用的全过程要通过会混凝土用水量的控制，来确保混凝土的强度及其耐久性。然而为了确保混凝土建筑结构的抗震性能，我们不能一味的增加混凝土的强度，因为混凝土强度与极限压成反比，当混凝土的强度达到一定高度时，在外力作用下一旦混凝土遭到破坏，此时混凝土的脆性特征就会变得更加明显，为此必须在考虑增强混凝土强度的同时要考虑增强混凝土的韧性，只有这样才能够确保混凝土具有较好抗震性能。 

　　在保证混凝土足够的碱度防止钢筋锈蚀破坏以及碳化破坏的同时，适宜掺加掺合料可降低混凝土结构中主要存在于孔隙和浆体与集料界面的氢氧化钙的含量，改善界面结构，提高混凝土的抗渗性。集料质量也是影响混凝土质量、尤其是混凝土的耐久性的重要因素。例如，用碱活性集料或含有害组分的集料制备的混凝土不仅可导致混凝土耐久性的降低和寿命的缩短，而且可能在突发灾害中加速破坏而导致巨大损失。当然，从通用水泥自身也可提出许多有益于提高混凝土耐久性的要求，如适宜控制水泥比表面积和水化热、降低水泥中氯离子含量、碱含量等。此外，还可以从根本上调整水泥品种，例如选用低水化放热、高后期强度、尤其是抗折强度高、抗侵蚀性好的低热硅酸盐水泥，即高贝利特水泥，对于重点工程建设是一种更好的技术途径。 

　　3 高层建筑抗震设计技术分析 

　　3.1 建筑结构体系对建筑抗震性能的重要作用。现阶段在我国建筑结构体系中主要包含了框架结构体系、框架-剪力墙结构体系、剪力墙结构体系与筒体结构体系等主要结构体系表现形式。这些结构体系根据建筑物的实际需要被广泛的运用到高层建筑物中。而目前国外在地震多发区，已经开展广泛的采用钢结构体系，作为提高建筑结构防震的主要结构体系，我国目前所采用的多为钢筋混凝土结构，其抗震性能远远比不上钢结构的抗震性能。钢结构在强度、韧性以及延展性上具有明显的优势。通过对地震区建筑房屋的倒塌情况进行调查我们可以发现，钢结构建筑物的倒塌机率是最小的。我国工程建造开发者在进行高层建筑物设计时，为了节省用钢数量，往往采用框架-核心筒体系。在混合结构震层中所产生的剪应力的八成以上都由内部的混凝土来承担。钢筋混凝土结构在外力的作用下容易出现弯曲变形，为了减少建筑结构的侧移，往往需要采用小的钢结构对框架-核心筒结构加以辅助，这不但没能达到节省建筑钢材用量的目的，还增加了建筑结构的负担，不利于建筑整体结构稳固性的发挥，为此我国要积极推进钢结构在建筑领域的应用。 

　　3.2 建筑结构的规则性。在进行建筑结构设计的过程当中，应该尽可能的做到规则，尤其是抗侧力结构应该尽可能的简单化，从而保证可靠性和承载力分布的均匀性。建筑结构的平面布置应该选择形状比较规则的图形，这样在发生地震的时候能够确保建筑整体的承载力均匀分布。应该尽可能的避免不规则的结构平面，造成建筑结构质心和刚心出现交错，这样一旦出现地震，一些和刚心距离比较大，刚度不足的构件就会发生侧移，受到较大的地震力的影响，有可能因为承受不住而发生损坏，最终导致建筑由于某个构件的损坏而发生倾斜和倒塌。为了防止抗侧力结构横向刚度突然出现变化，应该使垂直方向的抗侧力的截面积从上到下逐渐的递减。 

　　3.3 控制结构变形。建筑整体结构变形程度对于整个建筑的抗震能力具有直接的影响。在发生地震的过程当中，建筑在水平地震力的作用下出现侧移，从而导致建筑结构发生变形，导致破坏的产生。因此应该充分的考察高层建筑的结构类型，然后有针对性的采取相应的措施来减少建筑机构在地震力作用下出现的变形。相关的时间证明。在对高层建筑结构的损坏程度进行评估的过程当中，间层侧移角度是一个十分重要的指标，而国家对此也进行了相应的规定。因此应该采取相关的措施来对结构侧移情况进行控制，比较常见的方法有：减小框架的柱距和梁距，采用弯-剪双重抗侧力体系，设置刚臂，竖向支撑的交错布置，变平面构件为立体构件，围护结构参与抗震，倾斜立面的利用，扭转体型的应用，双曲线圆筒的应用，加大房屋等有效宽度。 

　　3.4 场地和地基的选择。建筑的场地以及地基的选择对于高层建筑的抗震能力具有直接的影响，是建筑抗震设计的基础。在进行建筑场地以及地基的选择时，应该充分的了解当地的地震活动情况，对当地的地质情况进行科学的勘察，在收集丰富资料的基础之上对场地进行综合的分析和评价，评估当地的抗震设计等级。对于一些不利于抗震设计的场地应该尽可能的进行规避，而实在无法规避的应该有针对性的做好相应的处理措施。在高层建筑地基选择过程当中应该尽可能的选择岩石或者是其它具有较高密实度的基土，从而提高建筑地基的抗震能力，尽可能的避开不利于抗震的软性地基土。对于一些达不到抗震要求的地基应该采取相应的措施进行加固和改造，使其能够符合相应的标准。 

　　3.5 隔震和消能减震设计。对于一些有特殊要求的高层建筑，除了一般的抗震设计之外，还需要进行隔振以及消能减震设计，从而达到最佳的抗战效果。首先在场地和地基的选择上应该尽可能的选择密实度较高的地基，从而在地震发生的时候能够有效的减少地震能量对建筑的破坏，减少共振发生的可能性。根据建筑的实际需要设计建筑的隔震系数，选择相应的隔震支座，同时考虑风力对建筑所产生的载荷。在建筑构件的选择上应该使用延性较好的材料，从而减少地震能量对建筑的破坏。 

　　3.6 抗侧力体系的优化。对一般性构造的高楼，刚比柔好，采用刚性结构方案的高楼，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时的结构变形小，隔墙，围护墙等非结构部件将得到保护，破坏也会减轻。提高结构的超静定次数，在地震时能够出现的塑性铰就多，能耗散的地震能量也就越多，结构就愈能经受住较强地震而不倒塌。改善结构屈服机制，使结构破坏十按照整体屈服机制进行，而不是楼层屈服机制。设计结构时遵循强节弱杆、强柱弱梁、强剪弱弯，强压弱拉的原则。在进行结构设计时，应该选定构件中轴力小的水平杆件，作为主要耗能杆件，并尽可能使其发生弯曲耗能。从而使整个构件具备较大的延性和耗能能力。 

　　3.7 常用的加固设计。为了有效的提高建筑结构的抗震能力，应该根据建筑结构的实际情况采取相应的加固措施，在进行加固方法选择的时候应该具体考虑以下几个方面的因素：第一，对于一些机构设计存在缺陷的情况，应该根据实际情况增加构件进行加固，或者是采取具有较高抗震能力的构件代替原有构件。对于需要提高承载力或结构整体刚度的情况，可以增设构件，扩大原截面，设置套箍等方法；很多建筑结构整体性连接达不到抗震的标准，可以有针对性的对结构进行相应的调整，这样可以分散地震力，减少破坏。建筑中的一些与建筑结构不相关的构件，在地震时有可能倒塌而造成危害，应该适当进行加固。 

　　4 结语 

　　良好的抗震设计与抗震结构对建筑物抵抗地震灾害的威胁起到良好的保护作用，现代城市的发展促使高层建筑的不断增多，结构形式更加复杂多样，全面细致的考虑结构各个构件的组成部分，明了结构设计的重点，成为今后新型结构体系设计和考虑的要点。努力通过合理的设计创造出高性能的抗震结构，是提高我国建筑物的抗震效果，对人们的生命财产安全实施全面的保护必要举措。 

　　参考文献： 

　　[1]刘建政。住宅高层建筑结构抗震的优化设计[J]。建筑设计管理,2012,(2)。 

　　[2]徐自国,肖从真,任重翠。结构弹塑性分析对我国高层建筑抗震设计的启示[J]。建筑结构,2011,(11)。 

　　[3]寇清清。试谈高层建筑结构抗震设计理念及方法[J]。黑龙江科技信息,2011,(23)。