摘要：隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，高層建筑的需求不斷擴大，而我國地震頻發(fā)，高層建筑抗震設(shè)計已作為最核心的要求之一。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，如何提高這些建筑的抗震性能成了一個迫切需要解決的問題。根據(jù)最新的抗震設(shè)計研究理論，提出了一系列有效策略旨在提升高層混凝土建筑的抗震能力設(shè)計，確保高層建筑在面對地震作用時的可靠性與安全性，保障人民財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：高層建筑抗震設(shè)計策略概念設(shè)計

中圖分類號：TV331

AseismicDesignintheDesignofConcreteStructuresforHigh-RiseBuildings

WANGTaijun

GuizhouBranch，NORENDARInternationalLtd.，Guiyang，GuizhouProvince，550081China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofurbanization，thedemandforhigh-risebuildingscontinuestoexpand，earthquakesoccurfrequentlyinChina，andtheaseismicdesignofhigh-risebuildingshasbecomeoneofthemostcorerequirements.Thetraditionalmethodsofaseismicdesignhaveencounteredunprecedentedchallenges，andhowtoimprovetheanti-seismicperformanceofthesebuildingshasbecomeanurgentproblemthatneedstobesolved.Basedonthelatestresearchtheoryofaseismicdesign，thisarticleproposesaseriesofeffectivestrategies，aimingatimprovingthedesignoftheanti-seismiccapacityofhigh-riseconcretebuildings，ensuringthereliabilityandsafetyofhigh-risebuildingsinthefaceoftheearthquakeaction，andensuringpeople'spropertysafety.

KeyWords：High-risebuilding;Aseismicdesign;Strategy;Conceptualdesign

高層建筑隨平面及豎向規(guī)則程度、結(jié)構(gòu)體系、高度等差異，地震力作用的復(fù)雜和劇烈程度也不同。有效的抗震設(shè)計能夠確保結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時適當(dāng)?shù)匚蘸头稚⒌卣鹉芰?，減少建筑物的損傷，延長建筑使用壽命，并最大限度地減少人員傷亡。通過綜合運用先進的概念設(shè)計、抗震計算、構(gòu)造措施，能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，為高層建筑的可靠性和安全性提供保障。

1高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要挑戰(zhàn)

1.1橫向作用分析與控制的復(fù)雜性

隨著建筑高度的不斷攀升，結(jié)構(gòu)對橫向作用的敏感度也隨之增加，這會直接影響到建筑的穩(wěn)定性和安全性。地震引發(fā)的橫向作用具有強度大和高度不可預(yù)測性的特征，這使得準(zhǔn)確評估和應(yīng)對這些作用成為一個極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。盡管有多種理論和計算模型被提出和應(yīng)用，但它們在面對實際復(fù)雜情況時往往難以完全適應(yīng)[1]。

由于高層建筑的動態(tài)特性與低層建筑截然不同，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法往往難以直接適用。同時，高層建筑的多樣化和復(fù)雜化也帶來了新的問題，例如：不規(guī)則形狀和功能要求對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，以及如何在保證安全性的同時還能滿足美觀、經(jīng)濟和功能的需求。這些問題的存在使得橫向作用分析與控制成為一個多方面、多層次的復(fù)雜問題，需要跨學(xué)科的知識和技術(shù)來共同解決。

1.2與實際狀況的結(jié)合度不夠

抗震設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮多種因素[2]，包括結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)、工程項目的地理位置、地質(zhì)條件以及地形地貌等。然而在實際操作中，理論模型往往很難完全貼合實際情況。一方面，理論模型無法完整地考慮到所有的地質(zhì)和環(huán)境變量；另一方面，實地條件的復(fù)雜多變也使得理論計算難以準(zhǔn)確模擬建筑在真實地震中的表現(xiàn)。

1.3結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量分布的優(yōu)化問題

結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量分布的優(yōu)化問題的核心在于如何平衡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與靈活性，確保建筑在地震作用下既能有效抵抗傾覆和側(cè)移，又能適當(dāng)?shù)叵⒛芰?，避免因過度剛性而導(dǎo)致的脆性破壞。結(jié)構(gòu)剛度不足容易導(dǎo)致建筑發(fā)生過大的側(cè)向位移，從而影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和使用功能；而過高的剛度則可能在地震作用下導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加局部破壞的風(fēng)險。同樣，質(zhì)量分布不均勻也會對建筑的抗震性能產(chǎn)生顯著影響。理想情況下，建筑的質(zhì)量應(yīng)該根據(jù)其剛度分布進行優(yōu)化，保證在地震作用下的動態(tài)響應(yīng)是均勻和可控的。然而，實際建筑設(shè)計中的許多因素，如功能需求、建筑形態(tài)和材料使用，往往會導(dǎo)致質(zhì)量分布的不均勻，增加設(shè)計和優(yōu)化的復(fù)雜性。隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)的動力特性變得更加復(fù)雜，不同樓層的加速度和位移響應(yīng)可能會有顯著差異，這就要求設(shè)計師不僅要考慮每個樓層的剛度和質(zhì)量，還要考慮它們?nèi)绾卧谡麄€結(jié)構(gòu)中分布和相互作用。

1.4抗震性能與建筑高度增加的關(guān)聯(lián)性挑戰(zhàn)

隨著建筑高度的不斷提高，對地震的響應(yīng)機制也變得更加復(fù)雜。一方面，高層建筑由于其較高的自振周期，對遠(yuǎn)場地震的響應(yīng)特別敏感，這就要求在設(shè)計中必須考慮到不同類型地震波的影響；另一方面，隨著高度的增加，建筑的風(fēng)荷載也會顯著增大，需要在抗震設(shè)計中進行綜合考慮。這些因素的綜合作用使得高層建筑的抗震設(shè)計變得更加復(fù)雜，需要精確地計算和詳細(xì)地分析來確保結(jié)構(gòu)的安全性。

2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的有效策略

2.1精確的橫向作用動力分析

現(xiàn)階段，時程分析作為一種能夠提供更為精確模擬地震影響的方法，被廣泛認(rèn)為是優(yōu)化高層建筑抗震設(shè)計的有效途徑。時程分析能夠考慮地震作用的隨機性和非線性特征，通過輸入實際地震記錄或合成地震波，模擬結(jié)構(gòu)在特定地震作用下的響應(yīng)，這種方法可以提供關(guān)于結(jié)構(gòu)反應(yīng)的詳細(xì)信息，如各樓層的位移、加速度以及構(gòu)件的內(nèi)力等，幫助設(shè)計師評估結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn)，并據(jù)此做出更合理的設(shè)計決策。盡管時程分析在理論上能提供精確的分析，但其準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于輸入?yún)?shù)的選擇和地震記錄的代表性[3]。因此，選擇合適的地震記錄，考慮區(qū)域地震活動性的特點，以及合理評估結(jié)構(gòu)的動力特性，對于確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。

實施精確的橫向作用動力分析還需要考慮到結(jié)構(gòu)的非線性行為。高層建筑在強烈地震作用下可能表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特性，如材料的非線性、大變形效應(yīng)以及構(gòu)件的屈服和破壞等。這些非線性行為對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有顯著影響，不能被忽視。因此，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計需要采用能夠捕捉這些非線性特性的動力分析方法，如非線性時程分析。通過考慮結(jié)構(gòu)的真實行為，非線性動力分析能夠提供更為真實的結(jié)果，幫助設(shè)計師更準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，并據(jù)此制定更有效的抗震措施。

2.2加強理論與實踐的結(jié)合

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，加強理論與實踐的結(jié)合是提升設(shè)計質(zhì)量和確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵策略。理論為抗震設(shè)計提供了基礎(chǔ)和指導(dǎo)，而實踐則是驗證和應(yīng)用這些理論的標(biāo)準(zhǔn)。雖然現(xiàn)有的理論和計算模型在某種程度上能夠模擬建筑在地震作用下的行為，但其往往基于理想化的假設(shè)和簡化的條件，無法完全捕捉到真實復(fù)雜環(huán)境中的各種因素，如地質(zhì)條件的多樣性、建筑材料的非均勻性以及施工過程中的偏差等。這就要求在設(shè)計中不僅要理解和掌握理論知識，還要考慮到這些實際因素的影響，確保設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性?？拐鹪O(shè)計的實踐也在不斷發(fā)展和變化，隨著新材料、新技術(shù)和新規(guī)范的出現(xiàn)，原有的理論和方法可能需要更新和改進，這就要求設(shè)計師保持持續(xù)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的態(tài)度，不斷吸收新的知識和經(jīng)驗，將最新的研究成果和實踐經(jīng)驗融入設(shè)計中。

為了加強理論與實踐的結(jié)合，需要提高理論的適用性和靈活性，這意味著在開發(fā)和選擇理論模型時，不僅要考慮其科學(xué)性和準(zhǔn)確性，還要考慮其對不同條件的適應(yīng)性。如通過引入更多的變量和參數(shù)來模擬實際復(fù)雜環(huán)境的影響，或者通過采用更加靈活的設(shè)計方法來適應(yīng)不同的設(shè)計需求。

2.3重視抗震概念設(shè)計

2.3.1結(jié)構(gòu)平面布置剛度應(yīng)均勻，減少扭轉(zhuǎn)

抗震構(gòu)造的平面配置應(yīng)簡潔、均勻，避免出現(xiàn)過多凸凹不平的設(shè)計，盡量保證平面的剛性分布均衡，即力學(xué)中心應(yīng)與重心接近，此舉可以有效降低地震引發(fā)的扭動效應(yīng)。扭動對建筑的損害極為嚴(yán)重，為減少由結(jié)構(gòu)扭動所導(dǎo)致的損壞，通常從兩個方面著手：一方面是降低地震誘發(fā)的扭動，另一方面是提高結(jié)構(gòu)對抗扭動的能力。其中，平面剛性是否均勻直接影響到地震是否會引起扭動或者造成扭動破壞，而決定剛性均衡的關(guān)鍵在于剪力墻的配置，剪力墻不宜只集中在建筑一側(cè)，否則在地震中易造成大的扭曲。剪力墻或井筒的對稱設(shè)置有助于降低扭動。結(jié)構(gòu)周圍布置剪力墻或設(shè)置大剛性的框架筒，均是提高抗扭剛度的有效策略，有利于抵御扭動[4]。為減輕地震下的扭曲，還需關(guān)注平面上的重量分布，重量的偏心容易引發(fā)扭曲，重量集中在外圍同樣會增加扭曲。

2.3.2結(jié)構(gòu)沿豎向剛度應(yīng)均勻，避免軟弱層

結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計為自下而上寬度一致或逐漸變窄，以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿高度均衡或逐步減少。豎向剛度的均勻性，主要與剪力墻的配置相關(guān)，例如：如果在中樓層去除剪力墻，或在某一樓層增設(shè)剛度較高的實腹梁或轉(zhuǎn)換構(gòu)件，都可能導(dǎo)致該樓層及其相鄰樓層的剛度突然下降或增加，這樣的突變會引起地震反應(yīng)異常，從而帶來潛在風(fēng)險。建筑立面如果存在顯著的縮進或頂部有小面積凸出的小房間，使得建筑外形沿高度發(fā)生變化，或者為了擴展空間在頂部減少柱子或剪力墻，都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頂部基層的剛度突然減小，這種情況可能增強地震時的鞭梢效應(yīng)，頂部的側(cè)向形變過大亦可能引致結(jié)構(gòu)損壞。

2.3.3預(yù)先估計結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強或削弱

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，各層的承載力應(yīng)從底部至頂部逐步減小，這種減小應(yīng)根據(jù)地震作用下的內(nèi)力分布圖來確定，以此避免形成承載力不足的層。地震時構(gòu)件內(nèi)力的分配依賴于振型的組合，這種組合可能導(dǎo)致力的不平衡，因此在鋼筋配置時不能僅依賴于內(nèi)力組合的結(jié)果，而應(yīng)從設(shè)計的初步階段就確保上下層構(gòu)件承載力的平衡，避免某一層的承載力突然降低。在設(shè)計過程中，應(yīng)盡量預(yù)測結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的損壞位置，并在更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中通過概念性分析以及計算來估計可能受損的關(guān)鍵部分。

結(jié)構(gòu)工程師需預(yù)見并規(guī)劃出合理的破壞模式，并通過調(diào)整內(nèi)力來控制這一破壞過程。例如，在某些區(qū)域可以通過設(shè)計使構(gòu)件提前進入屈服狀態(tài)，而在其他部分則故意增強其承載能力，延遲屈服或破壞的發(fā)生。這種策略如“強柱弱梁”便是一種有意識的控制手段，目的是使框架結(jié)構(gòu)能按照有利于抗震的梁鉸機制順序發(fā)生屈服。此外，也可以選擇增強某些框架或關(guān)鍵部件的承載力，確保它們即使在強烈地震中也能保持完整，或者有意減弱某些部分的承載力，使其在震動中先行形成塑性鉸，從而保護周圍的重要結(jié)構(gòu)部件不受損害。

2.3.4設(shè)計多道設(shè)防結(jié)構(gòu)一超靜定結(jié)構(gòu)體系

在抗震設(shè)計中，建筑必須采用超靜定結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)能夠在多個點產(chǎn)生屈服或破壞。通過實施多層次的防護措施，即使部分結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服或損毀，也只會影響到結(jié)構(gòu)的一部分超靜定程度。在設(shè)計過程中，對結(jié)構(gòu)可能屈服或破壞的位置進行精確分析和控制極為關(guān)鍵，確保按照預(yù)定順序逐步引發(fā)屈服和破壞[5]。結(jié)構(gòu)中的某些區(qū)域可以設(shè)計為允許發(fā)生屈服甚至破壞，而其他關(guān)鍵區(qū)域則應(yīng)設(shè)計為僅可屈服，不得發(fā)生完全破壞，部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位置則需設(shè)計為不發(fā)生屈服，這樣的措施確保了結(jié)構(gòu)在遭受地震沖擊時的穩(wěn)定性和安全性。

3結(jié)語

隨著抗震設(shè)計理論的發(fā)展以及建筑智能化的普及應(yīng)用，高層建筑的抗震設(shè)計將得到更加精細(xì)化的動態(tài)分析，抗震模擬分析更加成熟，將進一步提升抗震設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。在實際工作中，需要結(jié)構(gòu)工程師加強理論與實踐的結(jié)合，認(rèn)真分析理論的實用性，保持持續(xù)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的態(tài)度，提高抗震設(shè)計水平。

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