关于高层住宅建筑结构的抗震优化设计的浅析

关于高层住宅建筑结构的抗震优化设计的浅析

邓志荣

东莞市慧力建筑设计有限公司523560

摘要：为避免地震给人类带来大的灾难，作为工程技术设计人员在建筑结构的研究和工程设计中，为创造出更加安全、实用、经济美观的建筑。应从整体宏观的观点出发，综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几方面内容。本文在高层建筑抗震设计发展的趋势和理念的基础上，探讨了影响高层建筑结构抗震性能的相关因素，并有针对性的提出了相关优化设计的对策，希望能对高层建筑抗震设计中与工程设计实践和研究工作方向有关的参考。

关键词：高层建筑；抗震性能；建筑结构

1高层住宅结构抗震设计原则

高层住宅建筑建造时，要有明确的目标作为建房的指导方向，以及建造住宅高层结构抗震设计的原则，建造人员按照指导方向建造可靠、防震的高层住宅。

1．1高层住宅结构抗震设计的目标

高层住宅抗震设计时，要保证发生小地震时安全，不会给住宅造成毁坏；当发生中级地震时，住宅所受的损坏不大，不会为居民带来安全威胁，并且住宅所损坏的结构可以修复并继续使用；当出现大地震时，高层住宅不会倒塌，可以给人们空间、时间及时逃离。高层住宅结构抗震设计目标总得来讲就是：小震安全可靠、中震损坏可修、大震高楼不倒。

1．2高层住宅结构抗震设计的原则

高层住宅结构设计时要考虑几个方面的因素，以达到优化结构抗震设计的目的。首先，住宅结构设计要具备一定的刚性和弹塑性，在地震力影响住宅时不会因为刚性过硬或者弹塑性过大，使得其的结构发生无法修复的形变。其次，由于强震都伴随着不同程度的余震，这时就不允许住宅结构过度追求抗震能力，这会导致住宅刚性过大，而无法承受余震带来的压力，这就要求高层住宅在抗震设计时既要抗住强震的破坏力，又要承受得了余震的多次侵扰。最后，为了避免高层住宅刚性太小，导致住宅结构在余震攻击下变形过大而无法修复，所以要求高层住宅具备延性良好的分体系，防止住宅在强震中集体崩塌。

2我国高层建筑抗震设计中的一些问题

2.1高度问题

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验。在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

2.2材料的选用和结构体系问题

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框-筒、筒中筒和框架-支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。

2.3抗震设防烈度较低

现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”，并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内（50a）超越概率为10%的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计。

3高层建筑结构抗震设计的优化措施

若想设计出具有特别好的抗震性能的建筑需要从结构概念设计与构件设计两个角度着手。抗震概念设计对结构的抗震功能具有很大的作用，所以新规范都在有关条文中提出了建筑和结构概念设计的关键性，还要求建筑师与结构工程师在高层建筑设计中需特别关注建筑结构设计中的概念设计。结构构件抗震的优化原则，就是“四强四弱”“强柱弱梁”，指节点处柱端实际受弯承载力超过梁端实际受弯承载力；“强剪弱弯”为避免构件剪切的破坏，对于杆件的受剪承载力最好大于受弯承载力；“强节点弱杆件”为避免节点比构件破坏的早；对杆件截面来说，“强压弱拉”为防止杆件由于弯曲而出现受压混凝土破裂的脆性破坏，让受拉区钢筋的承载力小于受压区混凝土受压承载力，具体的能够从以下几点来考虑：

3.1选择有利的抗震场地

由于地质条件的不同地震对建筑设施的破坏具有很大的差异。在施工前要勘察好地基状况，保证建筑场地有助于建筑设施的抗震，应尽量不在抗震不利地段建设建筑构，在不能避开时，需采用恰当的措施提升抗震性能。根据建筑场地地基地质特征与受地震破坏作用的强弱来进行分类，依据建筑场地的实际状况适当采取抗震措施，比方说依据地基地质抗震设防种类、地基液化等级等实际状况科学采用适当的基础形式。

3.2选用合理的结构体系

体系问题为结构设计需要把握的关键问题。需注意体系的科学性问题，优先使用抗震性能高、延性优、耗能性能强、有利于施工的具有多道防线的体系。防止选用抗震性能特别低的板柱-抗震墙结构、框架结构、特别是单跨框架结构等。

3.2.1优化平面和立面设计

结构的简单性，就是尽可能地均匀、对称。结构简单为结构在地震之力下具有直接与清晰的传力方式。对于简单的结构，可以简单地把握建筑结构的计算模型、内力位移分析以及结构薄弱部位，进而对结构的抗震功能也具有良好的估计。对于为了符合建筑性能要求的平面与立面的不规则，能够采取以下几点进行改善。

3.2.2提高结构的刚度和抗震能力

水平地震是双向的，对于建筑结构设计需让高层建筑可以抵抗任意方向的地震破坏。一般设计能够让结构沿平面上两个主轴方向具有充足的刚度与抗震性能，结构的抗震性能就是结构强度和延伸的反映。结构刚度的选择不但可以减轻地震破坏作用，还需注意控制结构形变的增幅，太大的形变将出现重力二阶效应，造成结构破坏、失稳。

3.2.3结构的整体性

对于高层建筑结构，楼盖的设计对高层建筑整体性来说具有非常重要的作用，楼盖和水平隔板类似，其不但聚集与传递惯性力到任意一竖向抗侧力结构，而且还需要这些结构可以协同承受地震作用。尤其是抗侧力构件水平形变特征不同步的结构，就需要楼盖让抗侧力和结构可以协同工作。

3.2.4设置完善的抗震措施

抗震建筑结构体系需全方位考虑到建筑物的设防烈度、场地、地基、材料以及施工等因素，通过技术、经济技术、经济条件综合考虑进行确定。首先需多设几道抗震防线，进而防止由于部分结构或构件破坏而造成一个高层建筑结构体系不具备抗震性能。适当的刚度与强度分布，将防止由于局部消弱、突变性、太大的应力集中可能出现的薄弱部位。

3.3选用合适的建筑材料

科学选用高层建结构材料对提升建筑设施的抗震性能是非常有利的。就抗震设计方面来讲对建筑工程用到材料参数展开合理分析，选择适合高层建筑抗震条件的工程材料。尽可能使用高性能混凝土和高强钢筋及别的高强轻质的材料，用来提升构件内力及抗震能力，同时需要积极使用新型减震及隔震材料。

4总结

文章结合高层建筑的设计，介绍了其结构抗震优化设计的关键问题，并分析了提高高层建筑结构抗震能力的具体措施，以期能够为高层建筑抗震设计的实际工作提供借鉴和指导。然而，高层建筑结构抗震优化设计是一个不断发展和进步的过程，随着新技术的运用和实际经验的总结，高层建筑结构抗震设计必将得到进一步的发展。今后在实际工作中，我们需要重视经验的积累和总结，并注重创新，以更好的推动高层建筑结构抗震优化设计的发展，为人们的生产生活创造良好的条件。

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