浅议高层混凝土建筑抗震结构设计

龙辉

（铜仁市建筑勘察设计院 贵州铜仁 554300）

浅议高层混凝土建筑抗震结构设计

龙辉

（铜仁市建筑勘察设计院 贵州铜仁 554300）

近年来，我国地震多发，房屋抗震设计引起了建筑业的关注。房屋建筑要按照我国抗震的相关标准进行合理设计施工，从而实现“小震震不坏、中震亦可修、大震震不倒”的设计目标。本文简要议论了高层混凝土建筑抗震结构特点、结构体系以及抗震性能等问题，以完善高层混凝土建筑的结构设计。

高层建筑；混凝土；抗震；设计

引言

地震这一自然灾害是在人类生活中不可避免的，在地震伤亡人数中，房屋质量和抗震性能是重要的影响因素。在社会经济和基础建设飞速发展的今天，地震的灾害性提醒着人们，面对人口稠密、高层住宅小区日益增多的现代化大城市.其灾害性后果是不堪设想的，因而需要高度的重视。对于高层混凝土建筑，更要严抓其抗震能力检测评估，重视抗震结构设计具有重大的经济和社会意义。

1 高层建筑结构的特点

高层建筑结构的特点在于建筑规模大，成本高。一般来说，高层建筑的质量决取决于施工材料、施工技术和施工周期。而从建筑结构上来说，其所产生的轴向力与建筑物的高度大致上属于线性关系，水平荷载导致结构的弯矩。从侧移的特性上来说，竖向荷载所引起侧移通常较小，当水平荷载均匀分布时，侧移和高度的关系呈四次方变化。由此可以见，在高层的结构当中，水平荷载对于结构的影响远远超出垂直荷载。

2 高层混凝土建筑抗震结构设计要求

想要最大程度强化高层混凝土建筑抗震效果，使其在地震程度较弱时，中等地震时，以及地震剧烈时，建筑都能够保持结构的稳固，不会引发倾倒。这就对设计提出了更高的要求，需结合实践全盘考虑，以刚柔结合为原则，以及各作用力的科学合理分布，依照现场情况进行具体规划，遵循“强剪弱弯”的原则起草建筑结构设计，保证建筑的整体稳定性。

（1）在设计高层混凝土建筑时，必须掌握好结构刚度值，刚度值的强弱需要通过精准的计算与分析，以及对地质地组成和实地情况、选料性能、机械设备工作参数、物理力学等相关内容的全方位的了解来获得。这些数据将被用来作为最终高层结构整体刚度和核心受力部分刚度设定的依据，在充分发挥连接设置调节作用的时候，对其抗震效果进行提高，并在经过修缮之后，仍可继续使用而不改变其使用价值。

（2）在设计结构时，设计者的侧重点应放在核心构件和连接点的受力情况方面，运用合理有效的处理措施优化其调整效果，使其达到防灾减震的目的，最大限度降低地震所带来的损失。参考与地震相关的统计，分析后发现使用刚度过于柔和的高层混凝土建筑遭受强烈地震冲击后，主体结构大都会出现不同程度的损伤与破坏，在余震作用下，受到了连续的破坏后甚至会导致坍塌。这就要求在对高层混凝土建筑抗震结构设计时，不单要具备一定的刚度，还要能改善延展性特点，保证整体架构的抗震能力。

3 混凝土结构建筑抗震结构设计的有效措施

3.1 混凝土建筑抗震结构设计需求

在混凝土结构建筑抗震结构设计中，需要满足两个方面的需求：

（1）刚度需求。设计人员必须明确建筑施工现场的地形地貌、建材特性等，对建筑整体结构的刚度进行合理设计，同时以建筑结构的连接设置为辅助，对其进行一定的调整，提升建筑的抗震性能。

（2）受力需求。根据地震灾害数据显示，如果混凝土建筑刚度比较柔软，则其在地震作用下，主体结构会出现严重损坏，甚至可能导致崩塌。因此，应该充分考虑建筑结构中连接点和构建的受力需求，采取合理有效的措施，进行相应的减震消灾。

3.2 高层建筑结构抗震设计基本方法

（1）减少地震的能量输入。积极地采用以位移为基础的抗震设计，定量的分析也非常重要，使得结构变形的能力可以满足地震下变形的要求。高层建筑要注意选取厚实的场地来建造高层的建筑，这样可以很好的减少地震的能量输入，达到减轻破坏的目的。

（2）防范地震周期。为了防止共振造成的破坏，可以积极地推广隔震与减震的设计，防范地震周期。当下普遍所采用的都是传统型的抗震体系，也就是“延性结构体系”。混凝土结构其延性的表达如图1所示，结构或材料上的力与变形关系以F-D表示。适当的掌握好结构物刚度，具备适宜的非弹性状态和良好的延性，达到消耗地震能量、减轻地震反应的目的，使的结构物“裂而不倒”。

图1 混凝土结构延性

（3）提高结构阻尼，运用高延性构件来提高结构耗能，减轻地震影响，减小楼层的地震剪力。在高层建筑设计时，其结构材料的选择也很重要，应先测量抗材料的抗震能力，综合考虑材料参数的变化、地震烈度以及认识材料的模糊性等。

3.3 混凝土抗震结构

在现有技术条件下，混凝土结构建筑的抗震结构包括抗震层、防震缝和抗震支座等，下面分别对其设计进行简要分析。

3.3.1 抗震层

抗震层一般位于建筑基础的顶部，是最为基本的抗震构造形式，能够最大限度隔离地震能量，从而保证建筑使用安全。在实际设计中，为了保证安装和维护的便利性，需要在抗震层顶部梁底与基础面之间留出0.8m以上的空间。从建筑功能方面分析，为了对抗震层顶部的楼板进行有效利用，可以在地下室柱顶或者墙顶设置抗震层。同时，为了改善构件的受力情况，当水平剪力较大时，可以在柱体中设置相应的减震器，将抗震层的剪力和弯矩分别传递到柱或者墙的上下端。

3.3.2 防震缝

防震缝是指为了防止地震对于建筑的破坏，在适当位置设置的缝隙，可以将建筑分为若干形体简单、结构刚度均匀的独立部分。防震缝处在地震中发生碰撞如图2所示。

图2 防震缝处碰撞示意图

防震缝是在相邻结构单元之间预先设置的间隙，目的是为了减轻或者防止在地震作用下的相互碰撞。通过设置防震缝，可以对复杂的建筑结构进行分割，形成相对规则的结构单元，从而减少建筑的扭转、改善结构抗震性能。

在设计防震缝时，设计人员应该结合实际情况，保证其宽度的合理性。很多时候一味按照规范要求设计，在强烈地震作用下仍然可能发生碰撞；如果防震缝宽度过大，则会影响建筑立面设计。对于体形相对规则的混凝土结构建筑，可以不设置防震缝，而如果建筑的结构非常不规则，而且建筑场地并没有限制，则应该设置防震缝，同时防震缝的宽度应该能够满足抗震支座在遭遇强烈地震时的位移要求，并考虑建筑与周围构造物之间可能出现的相对运动。

3.3.3 抗震支座

抗震支座多用于地震影响比较大的部分或者伸缩梁较大，需要通过滑动释放内应力的部分。一般来说，要想保证对地震作用的有效隔离，抗震支座必须具备几个方面的性能：①应该能够承担上部建筑的荷载，同时变形较小，具备良好的竖向刚度和竖向承载力；②在水平方向上必须具备较小的水平刚度，以延长结构的自振周期，减少上部结构的加速度反应及下部结构的层间剪力；③必须有适当的阻尼，以限制结构位移；④抗震支架的使用寿命不能少于建筑结构的使用年限。对于建筑设计人员而言，不仅需要熟悉抗震支座的各项性能，而且还应该熟练掌握其实验方法，以保证抗震支座的耐久性和相关力学性能。

3.4 抗震支座设计要点

在对抗震支座进行设计和选择时，通常需要注意以下几个方面的内容：

（1）地震波设计是指通过人工地震波的方式，对抗震支座的性能进行检验。假定地震震级为8级，震中距50km，则在弹性分析时，输入速度为25cm/s，在弹塑性分析时，输入速度为50cm/s。

（2）抗震装置计算：在输入地震波对抗震装置的相关参数进行计算时，去大震时固有周期目标值为3s，等效粘性阻尼比的目标值为10%。

（3）上部结构截面计算：采用基于长期应力和一次设计用剪力的地震应力，对上部结构的构件进步性容许应力设计。此时，以一次设计用建立超过输入25cm/s的地震反应建立；当输入波为50cm/s时，以上部结构基本上不屈服为目标进行设计。

（4）设计准则：对应地震动为25cm/s和50cm/s的地震反应分析，对于抗震支座最大位移量的确定方法为：取叠合橡胶垫的容许水平位移37.5mm的1/1.5为输入波水平达50cm/s时的最大位移，再取此值的1/1.5为输入水平达25cm/s时的最大值。

4 结语

在经济发展的带动下，我国高层建筑不断涌现，对于建筑的稳定性和安全性也提出了更高的要求。在混凝土结构建筑中，做好抗震结构设计非常重要，直接影响着建筑整体的稳定和安全。结合近年来地震给人们所带来的灾害，高层建筑在结构体系的选择、设计的方法以抗震的性能等诸多的设计都给抗震事业带来了积极的影响，对于建筑的完善起到了很大的作用。

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TU973.31

A

1673-0038（2015）45-0095-02

收稿日期：2015-10-14