高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計策略

王攀銘

（杭州九米建筑設(shè)計有限公司，浙江 杭州 310000）

一、高層建筑抗震設(shè)計原則

高層建筑的抗震設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)性和合理性。為提升抗震設(shè)計效果，要遵循相應(yīng)的抗震設(shè)計原則。根據(jù)規(guī)范要求，確定建筑項目的抗震等級，以此作為抗震設(shè)計的重要依據(jù)。高于地區(qū)抗震設(shè)防烈度為大震。高層建筑遭遇大震時，能保證建筑結(jié)構(gòu)不坍塌，居住人員有足夠的逃生時間。抗震設(shè)計以提高安全性為主；與地區(qū)抗震設(shè)防烈度相當(dāng)?shù)牡卣馂橹姓?。高層建筑遭遇中震時，雖然建筑結(jié)構(gòu)受到損壞，但通過加固維修仍可使用，抗震設(shè)計以提高適用性為主；低于地區(qū)抗震設(shè)防烈度的為小震。建筑的抗震設(shè)計足以抵抗地震危害，建筑結(jié)構(gòu)不會受到破壞。這是抗震設(shè)計的三個重要原則。在高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，需建立分析模型，代入抗震設(shè)防烈度的相關(guān)參數(shù)，對模型進(jìn)行模擬測算，確保高層建筑的抗震性能滿足設(shè)計要求，滿足建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求。

二、高層建筑常見結(jié)構(gòu)類型及抗震設(shè)計

目前我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，為了滿足城市發(fā)展的需求，城市建筑工程都朝著高層和超高層方向發(fā)展。高層建筑的結(jié)構(gòu)類型有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)。這幾種結(jié)構(gòu)類型的抗震設(shè)計有不同的技術(shù)要求：

（一）框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)是目前高層建筑最常用的結(jié)構(gòu)類型，工程適用性較好，應(yīng)用范圍廣，與其他結(jié)構(gòu)類型相比建設(shè)成本較低?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的承重主體為梁和柱組成的框架結(jié)構(gòu)，受自身結(jié)構(gòu)特性的影響，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不足，由于地震橫波會使高層建筑的側(cè)向結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移，所以高層框架結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計重點是合理提升梁柱結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度，減輕地震橫波造成的側(cè)向剪切性破壞影響，提升建筑的抗震效果，保證結(jié)構(gòu)的安全性符合設(shè)計要求。

（二）剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)的承重主要依靠剪力墻、異形柱和梁共同組成受力結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較好，但空間布局的靈活度不足，施工的成本費用略高。剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計核心問題是提升層間變形的協(xié)調(diào)性。剪力墻結(jié)構(gòu)具有較強的規(guī)律性，側(cè)向剛度較好。抗震設(shè)計宜采用雙向布置，可較好抵抗各自方向的水平力，沿高度方向豎向布置可有效避免剛度突變。由于疊合錯洞墻的應(yīng)力分布復(fù)雜，在設(shè)計中應(yīng)盡量避免門窗洞口上下錯開，無法避免時，應(yīng)進(jìn)行洞口周圍的受力分析計算并采取有效措施提高結(jié)構(gòu)強度。

（三）框架剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)綜合框架和剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，梁柱體系和剪力墻結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載受力，可以有效彌補框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較差的缺點，提升建筑整體的結(jié)構(gòu)性能。在進(jìn)行抗震設(shè)計時，根據(jù)框架部分和剪力墻部分承受的地震傾覆力矩比值確定設(shè)計方案，滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震措施要求的同時，還應(yīng)充分考慮梁柱框架與剪力墻的剛度、變形特點，選擇合適位置設(shè)置剪力墻，使結(jié)構(gòu)整體剛度具有均勻、連續(xù)的特性，構(gòu)成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系提高建筑整體抗震性。

三、高層建筑抗震設(shè)計中存在的問題

（一）軸壓比和短柱對抗震性能的影響

在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中控制柱的軸壓比主要是防止柱受拉鋼筋未達(dá)到屈服強度，但受壓區(qū)混凝土先被壓碎，使柱塑性變形能力差，結(jié)構(gòu)延性和耗能能力受到影響。高層建筑中框架柱承擔(dān)的豎向荷載較大，為滿足規(guī)范要求的軸壓比，一般柱截面尺寸較大，剪跨比一般小于2，為短柱，底部幾層更可能為超短柱。為確保地震作用下結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)對框架柱采取加強措施，可采用全高箍筋加密，采用螺旋箍筋或者中間設(shè)置型鋼等加強措施。

（二）結(jié)構(gòu)高度對抗震性能的影響

結(jié)構(gòu)高度為室外地面至主要屋面構(gòu)件的高度，結(jié)構(gòu)承受的傾覆彎矩隨結(jié)構(gòu)高度的增加而增加。建筑物高度越高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就越差，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度就需要更大，剪力墻等承受的水平力構(gòu)件就需要布置越多，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性會變得較差。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的高度超過相關(guān)規(guī)范允許值時，應(yīng)采取比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施進(jìn)行抗震超限專項設(shè)計，并通過專家的論證后方可實施。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計策略

（一）優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計

高層建筑的開發(fā)商為了提高項目收益，提升建筑平面空間的利用率，減少剪力墻的使用，降低了建筑結(jié)構(gòu)的承重效果，同時也削弱了建筑的抗震性能。為了提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)固性，需對建筑平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，滿足空間使用要求的同時，使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。利用先進(jìn)的技術(shù)措施提升結(jié)構(gòu)抗震性能，使建筑工程滿足設(shè)計質(zhì)量要求。

（二）運用高延性結(jié)構(gòu)消震和隔震

高延性結(jié)構(gòu)可以有效提高抗震能力，并且有著良好的吸收地震能量的作用，我國當(dāng)前在建筑的防震設(shè)計及后期施工過程中，為增加建筑結(jié)構(gòu)的延性、整體剛度，對結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造進(jìn)行了科學(xué)合理的設(shè)計，以減少地震作用帶來的不利影響。必要時可采用減震、隔震設(shè)計，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟、適用。如圖1 所示。

（三）注意薄弱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層一般出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，樓層的承載力出現(xiàn)突變以及結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的突變位置。在地震的作用下，薄弱層是最容易受到影響的，因此在強化薄弱層的結(jié)構(gòu)計算分析的基礎(chǔ)上，要加強薄弱層的抗震承載能力和耗能能力，使薄弱層有足夠的強度和剛度來應(yīng)對地震作用。

（四）合理選擇和布置

建筑方案結(jié)構(gòu)工程師的作用是配合建筑設(shè)計師的工作，通過力學(xué)計算分析、概念設(shè)計等方式盡可能實現(xiàn)其設(shè)計意圖。然而在方案設(shè)計時，結(jié)構(gòu)工程師往往參與較少，待建筑方案確定后往往出現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置不合理、不滿足抗震設(shè)計要求的情況。因此，為確保后期結(jié)構(gòu)抗震方案的可實施性，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能早地參與到建筑方案的確定過程中來，并要求建筑方案遵循“平面對稱、立面均勻”的布置原則。

（五）加強建筑結(jié)構(gòu)的整體性

只有保證建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體強度、剛度和耗能能力，在發(fā)生地震時各個部件才能夠協(xié)調(diào)工作。因此，應(yīng)加強結(jié)構(gòu)四周梁截面尺寸，對于開大洞四周樓板要加大樓板厚度和拉通筋的配筋率，提高樓板的平面內(nèi)剛度，確保結(jié)構(gòu)滿足計算假設(shè)以及結(jié)構(gòu)抗震性能滿足規(guī)范要求。

（六）對于其他非結(jié)構(gòu)部件的處理

除了主要受力構(gòu)件，建筑物還包含填充墻體、外圍裝飾墻板、屋面廣告牌、附屬機電設(shè)備等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，這些構(gòu)件也會在不同程度上受到地震作用，對建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能產(chǎn)生一定影響，因此對其進(jìn)行合理的處理，能更好地提高建筑物的抗震能力，減少地震造成的次生災(zāi)害。

結(jié)束語

綜上所述，隨著我國社會經(jīng)濟水平的不斷提高，高層以及各種超高層建筑在城市建設(shè)中的應(yīng)用越來越多。為有效保障人們生命財產(chǎn)安全，必須重視對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，尤其是進(jìn)行抗震概念設(shè)計能有效降低地震對建筑物的損害，提升社會經(jīng)濟效益。