孫國紅

華東建筑設(shè)計研究院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001

高層混凝土結(jié)構(gòu)作為當下建筑中最為常見的結(jié)構(gòu)形式之一，具有耐久性能良好、整體性能好、耐火性能好等特點，同時混凝土結(jié)構(gòu)強度高、造價低，能夠更好地促進建筑工程的可持續(xù)發(fā)展，因此得到廣泛的運用?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計作為混凝土建筑設(shè)計的核心內(nèi)容，直接對建筑物的整體穩(wěn)定性和抗震性產(chǎn)生影響，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要重點分析高層混凝土抗震設(shè)計，這有助于從根源上保障高層混凝土建筑的合理性。

1 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計重心

在高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，明確當前高層建筑的抗震剛度，確保建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足施工地區(qū)的抗震要求，從根源上保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性及延展性。

目前，一般采用計算機軟件進行高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計，對計算結(jié)果的合理性、可靠性進行判斷是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)之一。這項工作需以力學概念和豐富的工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)總體和局部兩個方面進行考慮。具體包括所選用的計算軟件是否恰當，結(jié)構(gòu)的振型、周期、位移形態(tài)和量值、地震作用的分布和樓層地震剪力的大小、有效參與質(zhì)量、截面配筋設(shè)計等是否在合理的范圍，總體和局部的力學平衡條件是否得到滿足。判斷力學平衡條件時，應(yīng)針對重力荷載、風荷載作用下的單工況內(nèi)力展開。針對局部構(gòu)件尤其是受力復(fù)雜的構(gòu)件（如轉(zhuǎn)換構(gòu)件等），應(yīng)分析其內(nèi)力或應(yīng)力分布是否與力學概念、工程經(jīng)驗相一致。對結(jié)構(gòu)剛度值進行精準控制，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。同時，需重視高層混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計，并考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對上部建筑剛度值的影響。合理的剛度能夠保障高層混凝土在建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)生細微變化時，通過自身體系、建筑材料的力學性能達到協(xié)同工作的目的，使高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)不會受到極大的破壞，經(jīng)過合理的維修檢測后能夠正常運行，達到抗震性能設(shè)計的要求。

為了保障高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計具備良好的安全性、可靠性、經(jīng)濟性，應(yīng)對高層建筑結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性、耗能等性能。在設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)合理地布置抗側(cè)力構(gòu)件，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；結(jié)構(gòu)剛度、承載力沿房屋高度應(yīng)均勻、持續(xù)分布及保持完整，不宜抽柱或梁，使傳力途徑發(fā)生變化。震害表明，若設(shè)計中豎向構(gòu)件在平面內(nèi)或沿高度方向不對齊，不能形成完整的框架，可能在地震中由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和傳力路徑中斷等損壞結(jié)構(gòu)。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

2.1 建筑結(jié)構(gòu)高度設(shè)計難度大

近年來，大部分建設(shè)單位在施工過程中受到多種因素的影響，頻繁發(fā)生不按圖施工現(xiàn)象。同時，部分建設(shè)單位為了獲取更大的經(jīng)濟效益，對圖紙進行了改動，導(dǎo)致實際建筑高度可能超過原有設(shè)計高度，相關(guān)指標發(fā)生改變，對結(jié)構(gòu)整體的力學性能產(chǎn)生嚴重負面影響，使結(jié)構(gòu)無法滿足國家的相關(guān)標準，不在安全高度范圍內(nèi)。一旦出現(xiàn)地震災(zāi)害，高層建筑結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致不可預(yù)測的后果，對人們的生命安全產(chǎn)生嚴重的威脅。

2.2 建筑地基缺乏科學性

在對高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震進行設(shè)計時，地基基礎(chǔ)類型的選擇極為重要。因此，從巖土的勘察到基礎(chǔ)的設(shè)計，需嚴格要求質(zhì)量，確保地基基礎(chǔ)設(shè)計的可靠性、安全性、經(jīng)濟性。在土方開挖后，應(yīng)對土壤穩(wěn)定性進行控制，確保地基基礎(chǔ)的合理性，保障高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能夠達到預(yù)期效果。

2.3 建筑選材不夠合理

目前，我國高層建筑不僅以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，鋼結(jié)構(gòu)、鋼-鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)也較多。越來越多的建設(shè)者、設(shè)計師更加重視建筑選材，以確保材料力學性能合理，從根源上保障抗震結(jié)構(gòu)能夠滿足實際需求。不斷優(yōu)化建筑材料力學性能，有助于從根源上提高建筑物的抗震性能。

3 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方式

3.1 科學選定建筑場地

根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析可知，高層混凝土建筑場地直接影響抗震效果。加上對于地震災(zāi)害情況的分析能夠明確地知曉，只有保持地基基礎(chǔ)持力層的穩(wěn)定性，才能從根本上保障建筑結(jié)構(gòu)抗震效果達到預(yù)期。因此，在建設(shè)高層混凝土建筑時，首先，應(yīng)重視建設(shè)場地的選擇，確保建設(shè)場地具有科學性、合理性，還需充分考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)周圍的地形地貌、地質(zhì)條件等，盡可能避免地震斷裂帶區(qū)域，從而保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其次，高層混凝土建筑的建設(shè)場地不能處于易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，例如滑坡、坍塌發(fā)生地，這種部位的抗震性能極差，安全系數(shù)達不到要求，將對居民人身、財產(chǎn)安全將產(chǎn)生嚴重的影響。

3.2 對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案加以控制

根據(jù)震害經(jīng)驗，體型復(fù)雜的房屋容易破壞甚至倒塌。由于結(jié)構(gòu)所受地震作用的不確定性和復(fù)雜性，單純依賴計算分析很難有效地控制結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，必須同時做好概念設(shè)計。合理的建筑布置和正確的結(jié)構(gòu)選型是抗震設(shè)計的重要概念。

3.3 控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

地震將產(chǎn)生嚴重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、水平拉扯以及豎向剪切作用，在這些作用的共同影響下，將對整體建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的破壞，導(dǎo)致房屋建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、坍塌等現(xiàn)象（見圖1）。同時，地震發(fā)生時存在諸多不確定因素，并且具有一定的隨機性，需要充分降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的影響，以最大限度地保障結(jié)構(gòu)抗震性能達到預(yù)期。因此，在設(shè)計高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)時，需結(jié)合地震水平作用引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。為此，需要對抗震結(jié)構(gòu)位移目標進行合理控制。在結(jié)構(gòu)受到地震災(zāi)害時，保障側(cè)向位移在合理范圍內(nèi)的最大結(jié)構(gòu)剛度，并設(shè)計相應(yīng)力學性能的側(cè)向構(gòu)件，確保高層混凝土建筑物整體結(jié)構(gòu)均在可控范圍內(nèi)，從根源上保障混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的各分部分項工程能夠達到設(shè)計標準。同時，應(yīng)不斷深化高層混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能，確保及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，并進行調(diào)整與修改，在最大程度上保障高層混凝土建筑的抗震能力達到預(yù)期。

圖1 地震引起的建筑物倒塌

3.4 控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部具體參數(shù)

為了不斷提升高層建筑的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計人員應(yīng)嚴格結(jié)合設(shè)計階段的每一項參數(shù)進行分析，確保參數(shù)具備合理性。同時，在設(shè)計過程中應(yīng)不斷對建筑周圍位置、地形、環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)進行調(diào)研，對相關(guān)數(shù)據(jù)特征進行總結(jié)，結(jié)合數(shù)據(jù)開展高層建筑整體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，確保整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計值滿足國家規(guī)范規(guī)定值。為了降低建筑受力情況分析的難度，可運用先進的BIM技術(shù)對整體結(jié)構(gòu)進行建模，對結(jié)構(gòu)的力學性能進行精準計算，保障建筑結(jié)構(gòu)在受力時能夠?qū)崿F(xiàn)抗震的目標，從而保障高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。

3.5 強化抗震防線數(shù)量

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)體系中包含多種理想的延展體系，并具備延性結(jié)構(gòu)構(gòu)件方面的協(xié)同連接。例如，將剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)進行組合，將形成多肢剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠更有效地抵擋烈度較高的地震和強度較高的余震。如果僅設(shè)置一道抗震防線，當防線被破壞后，將對主體造成嚴重的損害，甚至產(chǎn)生主體坍塌。因此，設(shè)計人員應(yīng)充分結(jié)合構(gòu)件，建立合理的延性體系，確保整體結(jié)構(gòu)的抗震性和延展性達到實際需求。設(shè)計人員也需不斷研究將各種結(jié)構(gòu)與剪力墻相結(jié)合，確保設(shè)計出最能提升結(jié)構(gòu)強度的延性體系，以保障整體建筑的抗震性能。

設(shè)計人員在開展抗震設(shè)計時，由于內(nèi)部某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗側(cè)移設(shè)計值過大，可能導(dǎo)致構(gòu)件其他部分在受到地震破壞時還受到抗側(cè)移設(shè)計構(gòu)件的影響，整體結(jié)構(gòu)較為薄弱。因此，需重視對抗側(cè)移構(gòu)件強度的分析，規(guī)避施工階段的以大代小現(xiàn)象，提升部分抗側(cè)移部件的配筋率。

4 結(jié)束語

綜上所述，我國高層建筑抗震設(shè)計仍處于研究階段，具備良好的發(fā)展空間。盡管結(jié)合大部分數(shù)據(jù)能夠獲取一定的經(jīng)驗，但在高層建筑整體抗震理論明確方面仍然需要完善。不斷對結(jié)構(gòu)力學性能進行合理分析，有助于充分推動地基結(jié)構(gòu)、材料、抗震性能等方面的平衡，從而提升整體高層建筑的抗震性能。此外，需不斷對抗震設(shè)計模式進行優(yōu)化，從根源上保障抗震設(shè)計的合理性，促進高層建筑的良好發(fā)展。