高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新研究

高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新研究

朱广琪

身份证号码： 622726199012200377

摘要：目前，我国在大力推广使用高强度材料、新型组合结构时，往往会遇到材料的强度和延性不能很好地协调。因此，本文提出了一种新型的高强高性能混凝土结构体系，该体系能够充分利用高强材料的强度和耗能部件的延性，提高其抗震性能。

关键词：高层建筑结构；抗震设计方法；结构体系；创新研究

1.高层建筑结构抗震设计简述

1.1设计流程

抗震设计是指在建筑设计过程中从整体结构出发，结合建筑结构的刚度、强度、延度、轴压比等方面的设计情况，制订最科学、有效的建筑结构抗震设计方案。受2008年汶川地震影响，我国越来越重视建筑结构抗震设计，并对GB18306—2015《中国地震动参数区划图》、GB50011—2010《建筑抗震设计规范》等标准进行了调整与修改，进一步细化、明确了建筑钢结构阻尼比、承载力抗震调整系数、隔震结构水平向减震系数等指标，对建筑结构抗震设计有了更明确地规范与要求。

因而在现代高层建筑结构抗震设计过程中，需根据建筑结构受力分析、结构类型、结构体系等制订具体的抗震设计方案。

1.2建筑结构体系参考标准数据

从以上的研究结果可以看出，在建筑物的抗震设计中，刚度折减系数是非常关键的，不同的结构和构件，其刚度折减系数也是不同的，它直接关系到建筑物的承重和抗震能力。在进行高层建筑抗震设计时，应参照各种规范的规范，对其承重和抗震能力进行有效的计算，以保证其在实际应用中能够达到预期的承重和抗震效果。

2.高强高性能混凝土高层建筑结构论述

2.1整体设计思路

在传统的混凝土结构设计中，由于对结构抗震性能的不断提高，对有关指标的要求也越来越严格，传统的混凝土构件已经不能满足有关规范对结构的变形和高强度材料的延性的要求。因此，本文就这一问题，给出了如下的混凝土结构设计思想：

1）将“钢”材料添加到混凝土构件中，采用高强、高性能的混凝土－钢复合结构体系，提高构件的变形性能和延性。与其他材料比较，钢筋与混凝土线的膨胀系数相近，两者之间的粘附力较好，可以很好地结合，同时，氢氧化钙可以为这种复合材料提供一个较好的碱性环境，有利于在钢筋表面形成一层钙化保护膜，并对高强、高性能的混凝土－钢复合结构体系起到了保护作用。高强、高性能混凝土－钢复合结构是目前广泛使用的一种新型梁，它不仅可以有效地承受梁的拉力，还可以对梁部及以上的结构起到一定的支撑作用。而由于钢材的优越性，目前的建筑结构设计大多采用高强、高性能的混凝土－钢复合结构体系，并以其为主要的抗侧力结构，有效地承受地震、风荷载和外部框架的垂直荷载。

2. 将消能减振设备添加到常规混凝土构件中，例如在结构节点或连接部安装阻尼器等，可以提高构件的长细比和弹性极限，并加强结构的弹性设计，将地震作用于建筑物的动力传递到减震装置中，从而减少地震对建筑物的冲击，减轻地震对建筑物的破坏

2.2结构体系性能设计

在不同的建筑结构中，需要根据建筑结构不同点的承重需求、尺寸等制订不同设计方案。如某建筑长、宽均为44m，核心筒平面尺寸为22m×20m，首层层高5m，标准层层高3.2m，针对此类钢筋混凝土框架核心筒结构设计，需先用SATWE软件进行小震反应谱分析，将水平地震影响系数最大值αmax=0.16、整体阻尼比0.05、特征周期Tg=0.45、周期折减系数0.85、一级框架抗震、特一级剪力墙抗震作为基本参数，计算不同钢筋混凝土结构的抗震能力，分析其结构空间状态，最终选择抗震能力最强的结构，然后进一步优化结构空间。再用类似方法进行中震反应谱分析、大震反应谱分析，同时，模拟大震下的弹塑性动力时程分析，分析评估相关结构体系和不同阻尼器的加入，是否能够达到大震不倒的设计目的，进一步提升高层建筑设计的安全性，提高高层建筑的抗震能力。

3.高性能装配式高层建筑结构

3.1整体设计思路

当前我国较常见的装配式结构以装配式钢筋混凝土结构为主。与现浇施工工法相比，装配式钢筋混凝土结构可以按照施工工艺连续完成多个或全部工序，不仅能减少施工现场所需机械设备的种类和数量，还可以减少施工工序衔接造成的施工停滞时间、施工人数、物料消耗、环境污染、建筑垃圾等。同时，在抗震方面，通过无黏结预应力钢筋拼接节点、粘结预应力钢筋拼接节点、后浇整体式节点等措施，能够有效衔接、固定装配式结构节点，提高建筑的抗震性能。因而在高性能装配式高层建筑结构设计过程中，需重视节点衔接固定方面的设计，选择科学适宜的节点衔接方式，有效提升高层建筑的抗震能力。

3.2大变形能力节点

根据上文可知，装配式结构间节点的有效衔接与固定对提升高层建筑整体抗震能力有重要意义。所以，在节点衔接方法设计与选取的过程中，使建筑结构在遇到大地震后，阻尼器充分发挥耗能作用的条件下，结构节点不会出现较大的变形与损坏，且需具有震后易修复的优势，以便于对建筑体系进行震后修复，保障整个建筑体系的安全性。在常见框架间节点衔接、固定方式中，无黏结预应力钢筋拼接节点主要是指预应力钢筋在节点内与节点两边一定范围内与混凝土无黏结，优势是在大变形后仍具有较好的弹性，且强度、刚度衰减较小，残余变形较小，拼接节点耗能也较小。粘结预应力钢筋拼接节点与无黏结预应力钢筋拼接节点相反，节点同混凝土有黏结，优势在于延性和变形恢复能力更优。后浇整体式节点能进一步提升节点抗剪强度，对提升节点强度、改善耗能、提升变形恢复能力均有重要作用，有助于推迟破坏发生，提升节点承载性能，若遇大震，有助于延长建筑内人们的逃生时间。随着工艺的发展，同济大学赵斌等人于2004年提出螺栓连接节点这一连接方式，主要适用于梁端采取设置加宽扩大段、预埋钢套管等措施，在节点连接过程中，用高强螺栓进行无黏结式连接与固定，此方式具有耗能低、节点钢化退化慢、变形能力好等优势。所以，在实际设计过程中，需要根据高层建筑的地理位置、施工成本、高层建筑设计要求等，选取更科学、适宜的节点连接方式，以保障高层建筑抗震能力。

3.3结构体系性能设计

在装配式结构体系性能设计中，如对层高3.2m、标准柱跨为8.4m的主梁大板，C80框架柱混凝土、C40框架梁和楼板混凝土、HRB500mm钢筋、150mm折算厚度的中空混凝土楼板所制框架结构进行设计，需参考节点抗弯刚度，根据节点抗弯刚度计算公式进行节点抗弯刚度评估分析，并调节剪切阻尼器屈服强度，同样需要在基于预设屈服模式下进行抗震设计。同时，在保障抗震性能的基础上，适当调节结构空间设计，以减少用材，或通过调节建筑用材来提升装配式结构的绿色环保性。

结语

随着我国建筑设计规范的不断加强，有关法规的颁布，对高层建筑的抗震设计提出了更高的要求。从文中可以看出，目前国内抗震设计多是建立在预设屈服模型基础上，以建筑材料、建筑结构等为依据，对建筑结构在不同的地震作用下进行抗震性能评价，以对各种建筑结构抗震设计的安全性和有效性进行分析。同时，采用高强、高性能混凝土－钢组合结构体系、消能减震设备和组合结构，可以使高层建筑结构的耐震性能得到进一步提高，并能减少废弃钢筋、混凝土的消耗量，并在坚持可持续发展的原则下，实现高层结构的绿色施工。

参考文献

[1]王成磊.高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新研究[J].工程建设与设计,2022

[2]肖从真，王翠坤，黄小坤.高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新[J].建筑科学