高层建筑结构抗震设计中的不足及对策分析

2021-11-27崔建坤

中国建筑金属结构 2021年6期

崔建坤

1.高层建筑在抗震设计中出现的问题

1.1 建筑物的整体高度问题

在一定结构形式的高层建筑中，对高层建筑相对应的高度有明确的规定，这主要是考虑到该建筑的安全性能和抗震性能。但是我国现在许多小区、商厦、行政楼越来越高，成为真正意义上的“摩天大楼”，而由于我国现在人口数量越来越多，人口老龄化严重，对于不断增加的人口来说，可用空间也在逐渐减少，这就导致许多高楼超过了我国高层建筑的限制高度。当建筑物高度超过地震极限值时，其抗震性能降低，高楼倒塌时，对周围抗震性能较好的建筑物造成破坏，进而造成不可挽回的损失。因此我国高层建筑在高度的选择上，一定要做好结构设计，首先考虑建筑物的抗震性能，再考虑其高度及其他影响因素，使高层建筑尽可能安全。

1.2 高层建筑地基的选取问题

目前很多建筑商对高层建筑的地基选择问题，只考虑到是否在繁华地段，空间是否较大，而对地形、地貌等方面考虑较少。实际上对于高层建筑来说，地基应该选择更宽阔、更平缓的地带，土质要密实，而且要尽量远离河岸，建筑物不能跨越两类或多类土壤，要尽量避免凹陷的地势、山崖边与土壤断层处等不利于建筑的地形。如建设者选择这样不合适的地形作为高层建筑的地基，则抗震性能较差，建筑设施会有很大的安全隐患，将处于一定的风险之中。

1.3 高层建筑材料的选择

近几年我国新闻频频爆出多起房价过高的“豆腐渣工程”，媒体在2013 年就有报道：郑州沈家村村民到新居后，发现新居存在很多问题，渗水严重、墙皮大量脱落、地板不牢固、纸板上刷红漆做门等，很多承包商拿了大笔钱却使用廉价的建筑材料。建筑材料的质量好坏是影响建筑物稳定性的绝对因素。这类不合格的建筑设施，即使没有遭遇地震，也有一定的安全隐患。因此在高层建筑施工中，必须选择合适的建筑材料。不要为了省钱和利润而选择劣质产品[1]。

1.4 高层建筑防震度较低

在高层建筑的设计过程中，由于采用了新技术、新理念、新材料，土木工程施工规范与施工力学指标相结合，使得目前许多建筑物基本达到了抗震要求，但许多技术还不完善，不能真正抵抗地震的侵袭，不能很好地满足设计要求。许多建筑设计者在进行设计时，对地震工程的设计不够合理，导致建筑抵抗地震的能力较差。许多高层建筑在进行抗震设计时，都需要通过模拟试验来为其提供技术支持，使整个建筑方案更具实用性，也更符合当前高层建筑的发展趋势。若不进行合理的试验，将产生许多设计上的缺陷，在后期的施工过程中也会产生许多问题，造成房屋结构扭转效应较为明显，房屋承载力下降，进而影响房屋的整体结构。此外，设计师在进行震害预测的过程中没有应用科学的手段和方法，对一些必要的防震措施准备不充分，使高层建筑在遇到轻微地震时容易发生较大倾斜，造成破坏的可能性增大。

2.高层建筑的抗震理念规定

在我国，对建筑抗震标准有明确规定，例如在《建筑抗震规范》中有“三水准”与“两阶段”两条明确的规定。

“三水准”即：当遭受低于该地区抗震设防烈度的地震时，建筑物没有受到损害，可以继续使用，不需要维修；当发生规定设防烈度地震时，建筑物的结构发生了非弹性变形，建筑物本身也受到一定程度的破坏，虽然建筑物的结构发生了一些变化和损坏，但通过修葺后能够继续使用；当建筑物在区域内遭受抗震设防烈度预测时，建筑物发生结构非弹性的变化，破坏严重，但高层建筑仍能保持不塌陷，从根本上保证人们的生命安全和周围地带稳定性。

“两阶段”是实现“三水准”的重要前提，第一阶段是采用相应的地震参数计算高层建筑结构设计、承载力问题，以保证高层建筑在面临相应地震时具有一定的承载能力。二是计算高层建筑倒塌时的弹塑性层间位移角，使弹塑性层间位移角小于抗震规范的规定，达到“三水准”中的第三水准，即使面对强震建筑物也能屹立不倒。

3.高层建筑设计抗震对策

3.1 分析高层建筑的抗震可靠度

以往工程设计者只考虑建筑物的荷载问题，未对建筑物的抗震性能进行分析研究，或只片面地考虑建筑物的抗震问题。因此，设计者应全面、综合地考虑和分析建筑材料参数的变化、地震强度对建筑物的影响及其他因素。将影响建筑物抗震性能的各种因素，作为高层建筑整体结构设计的基础。对高层建筑进行抗震设计，应从抗震概念、抗震验算、构造措施三个方面入手，把抗震与减震结合起来，尽可能考虑其他因素对建筑抗震的影响[2]。

3.2 选择有利的抗震场地

不同地质条件下的建筑，在面对地震时都有不同的表现。例如，建筑在土质较疏松的河岸地带，与在土质较硬、平坦、开阔的土地上建造的建筑，其抗震能力就有很大区别。因此我们在修建高层建筑时，一定要把好基础建设关。严格做好地质勘探工作，从某种程度上说，能够保证高层建筑的抗震能力。在可能的情况下，应尽量避免不利于建筑的区域，并根据抗震场地设计建筑物的其他抗震因素。

3.3 选择适应的建筑材料

合理选择建筑材料，可以在一定程度上避免“豆腐渣工程”。在建筑材料的选择上，工程设计者应与建筑结构相协调，从建筑物的抗震强度和建筑结构设计两方面来选择建筑材料。如资金允许，尽可能选用高性能混凝土及高强钢筋材料，以提高高层建筑的抗震性能。随着社会的不断进步，科技的高速发展，新的抗震材料已经出现，因此在建筑材料的选择上，可以采用新的隔震、抗震材料，尽量使材料达到最大的抗震效果[3]。

3.4 选择合适的抗震结构体系

除抗震材料外，还需选择合适的结构体系进行抗震。对于高层建筑，可优先选择不承担重力荷载的垂直支撑或填充墙，或者选择轴压较小、延展性较好的抗震材料，这些材料可作为高层建筑抗震的第一道防线。第二道防线是高层建筑的框架结构。在面对地震时，通过框架支撑的抗震物体不能承受荷载时，会造成一定程度的破坏，而框架能起到加固抗震墙、吸收地震力度的作用。因此，抗震墙和框架结构可以提高高层建筑的抗震能力。

3.5 加强地基基础的设计

地基是房屋建筑的基础，对于高层建筑结构设计来说，要提高其抗震能力，最困难、最重要的部分就是地基的设计处理工作。在抗地震设计中，建筑物的稳定性和使用寿命与地基的质量直接相关，各高层建筑周围的地质条件各不相同，因此在进行抗震设计时，也要考虑周围的环境和地质条件，根据实际高层建筑的要求，进行抗震方案设计工作。地基处理过程中，必须做好勘察、检测工作，对于局部岩体的复杂和环境因素，必须采取严格的技术措施。在某些区域，由于地质结构不够稳定，需要更科学、合理的技术措施来处理，以防止地质结构对建筑物整体性能的影响。地基基础对工程的影响很大，会影响到工程的进度和建筑的最终效果，因此，加强地基基础设计是保证结构稳定的前提[4]。

3.6 做好抗震减重比值的设计工作

做好高层建筑抗震减重设计，提高钢筋混凝土结构的稳定性。设计者应保证剪力墙配筋的水平分布，在竖向布置钢筋时，应尽量控制钢筋结构的布置顺序，力求钢筋排列均匀。与此同时，拉筋路与各排布筋的绑扎方式也要做好间距设计。有些地区地震活动比较频繁，在抗震形势较严重的地区，可采用剪力墙钢筋四排配筋法，对房屋进行加固，应分别在水平和垂直方向上均匀分布。采用拉筋方法需用将其与各排分布筋绑扎的方式，体现出四排配筋方法的整体密度。

3.7 遵循高层建筑结构规律

高层建筑都有自己的设计原则，在进行抗震设计时，首先要使建筑设计合理化，实用化，必须对建筑的外形、内部结构等进行细致设计。建造工程也需要从多环节、多角度为抗震设计做准备，将抗震理念贯穿于建筑设计全过程之中，确保每一个设计步骤都贯穿抗震理念设计的内容。在高层建筑中存在着局部过大、质量不均匀的情况，这样的高层建筑极易出现质量问题，甚至会导致建筑物倒塌，造成严重的安全隐患。建筑物的外形保持规律性也是为了避免一些自然现象，因此在设计中需要考虑抗震性、抗腐蚀性、防风性等因素，设计者必须把设计安全放在第一位，同时也要重视高层建筑材料的设计和选用。选用钢筋和混凝土应根据高层建筑的要求，特别是钢筋可提高建筑物的稳定性，如发生地震可提高建筑物的抗震能力。与此同时，还需定期对高层建筑的实际使用情况进行检查，发现问题及时解决，这样才能提高建筑物的抗震能力。