浅谈高层住宅建筑结构抗震优化设计

摘 要：随着建筑行业的发展,建材工业以及建筑技术随之飞速发展,人们对高层住宅的审美观以及使用性能要求越来越高,目前建筑的高度也在不断增加,同时对高层建筑结构的抗震设计也提出更高的要求。本文主要进行探讨高层住宅建筑结构抗震的优化设计。

关键词：高层住宅；建筑结构；抗震性能；优化设计

中图分类号：TU241.8文献标识码：A文章编号：

引言：

随着我国钢产量、成型制造工艺以及经济政策等方面的支持，我国房地产业的迅猛发展。进入上世纪 90 年代后，高层钢结构成为高层建筑的发展趋势。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化，而且在优化建筑结构设计上也越发受到业界普遍关注和重视。由于我国处于地震多发区，结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的日程。房地产业的高速发展将成为趋势，国内虽有一些高层钢结构设计理念，但可靠性仍值得商榷。因此，住宅高层建筑结构抗震的优化设计处于非常重要的地位。

1.住宅高层建筑结构抗震设计原则

抗震设计要刚柔相济，选择合适的结构形式，在增加结构刚度的同时也要增强地震作用，需要确定合理的抗震措施。保证结构的抗震性能主要是确保建筑物满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。在地震力作用下，要求结构保持在弹性范围内正常使用。建筑物的变形破坏性态后不能发生很大的变化，经简单的修复后可正常使用。随着建筑物高度的增加，允许结构进入弹塑性状态，但必须保证结构整体的安全。因此，六级以上必须进行抗震设计。每次强震之后都会伴随多次余震，在建筑抗震设计过程中如果若一味的提高结构抗力，就会增加结构刚度。若只有一道设防，则会导致结构刚度大。所以，建筑物在地震过程中既能满足变形要求，又能减小地震力的双重目标。因此，只有这样才能使建筑物抗震设计过程中防止造成建筑物局部受损。建筑物的抗震结构体系如果刚度太柔，首次被破坏后而余震来临时其结构将因损伤，结构构件协同工作来抵挡地震作用容易导致建筑物过大形变而不能使用。延性较好的分体系组成，地震发生时不会发生整体倾覆。因此，由若干个在地震发生时由具有较好延性。

2.高层建筑结构抗震设计要点

2.1 结构规则性

建筑在结构方案设计的初期，结合抗震设计的要求，对建筑平面及使用功能进行合理优化和布局，特别是高层住宅建筑，应保证建筑物有足够的扭转刚度以减小结构的扭转影响，要求建筑物平面对称均匀，柱网剪力墙布置合理。因为该种结构建筑容易估计出其地震反映，对建筑进行合理的布置，以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，体型简单，结构刚度。大量的地震灾害表明，在地震时，只有建筑物受力均匀，平立面布局简洁对称合理，这样的结构才能满足抗震设防的设计要求。

2.2 层间位移限制

我们在进行高层建筑物结构设计时要注意建筑的高宽比，位移的限制和结构材料、结构体系甚至装修标准以及侧向荷载等问题。其中钢筋混凝土结构的位移限值要求严格，以及所处的地理位置进行设计，稳定性以及正常使用功能等。其在风力和地震作用下往往能够产生较大的层间位移，满足其具有足够的刚度又要避免超过结构的承载力，位移限值风荷载作用下的限值比地震作用下的要求严格，在水平荷载的作用下产生过大的位移而影响结构的承载力。

3.抗震设计中的注意事项

3.1基本设计信息的确定

根据当地的抗震设防烈度和建筑类别等确定抗震等级。值得注意的是，高层住宅建筑一般为丙类建筑，是不需要调整设防烈度的，而甲、乙类建筑要按照《建筑抗震设防分类标准》来调整设防烈度。设计时要明确该场地土类别、地面粗糙度和地震加速度，使设计更加合理。建筑越高，风荷载的影响越大，因此对基本风压也要更加重视，当建筑高度超过60 m 或者对风荷载敏感的建筑，就要按照一百年重现期的风压采用，并应根据建筑的形状、高宽比等选择合适的体形系数。

3.2概念设计与设计参数的正确选择

在方案设计阶段，要进行概念设计，使结构体系的地震作用传递途径明确以及使结构具有多道抗震防线。结构最大适用高度要控制在规范允许范围内，使结构具有足够的延性。剪力墙的布置应均匀、对称，在纵横两个方向上都有布置，使两个主轴方向的刚度尽量接近；墙体要尽量减少开洞，如果要开洞，洞口应均匀对齐，避免任意开洞。砼结构构件应控制截面尺寸和受力钢筋、箍筋的设置，防止剪切破坏先于弯曲破坏、砼的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结破坏先于钢筋破坏。结构各之间的连接应做到构件节点的破坏，不应先于其连接的构件；预埋件的锚固破坏，不应先于连接件；装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性；预应力砼构件的预应力钢筋，宜在节点核心区以外锚固。

4.优化策略

对高层建筑结构抗震设计时,首先可以从高层住宅建筑结构的结构体系、建筑结构的规则性等方面着手,在将抗震和消震相结合的基础之上,建立建筑结构延性和结构设计的地震力要求相互影响的双重指标和设计方法,从而可以通过建筑结构形式达到减震消震的效果,从而使高层住宅建筑在地震中具有良好经济的抗震性能。

4.1 建筑结构的抗震设计应重视建筑结构的规则性

4.1.1在高层住宅建筑抗震设计中建筑主体抗侧力结构应该沿着竖向断面构成变化比较均匀,并且不能出现突变的现象,这种均匀的高层建筑结构能够避免因为结构薄弱层的破坏而造成整个建筑结构破坏,特别是对于强震区的高层住宅建筑应该特别注意。

4.1.2建筑主体的抗侧力结构的两个主轴方向变形特性以及刚性应该比较相近,这主要是因为高层建筑结构是三维形式,实际的地震作用以及风荷载具有任意的方向性,在设计中使建筑主体抗侧力的两个主轴方向的刚度比较均匀,这就可以保证建筑结构具有良好的抗风能力和抗震性。

4.1.3在高层住宅建筑抗震设计时,主体抗侧力结构的平面布置应保证同一主轴方向的抗侧力结构刚度应该均匀,这样可以有效避免在主体结构的布置设置中刚性大而延性小的结构,比如长窄的实体剪力墙,这种结构虽然能够满足刚度以及对称性的要求,但是由于在建筑结构中一些结构刚度比较大,所以在地震发生时,将会吸收非常大的能量,造成应力的集中的地方首先受到破坏,从而造成正整体结构的损坏。因此在设计的过程中保证高层住宅建筑同一主轴方向的抗侧力结构刚度的均匀性,对建筑结构的抗震延性具有重要作用。

4.2 抗震结构体系的优化设计

高层住宅建筑结构体系的设计是建筑结构设计中最为重要的问题。建筑结构设计方案的合理性,对建筑结构的经济性以及安全性具有重要的作用。而抗震结构体系是高层住宅建筑抗震设计中关键问题,在抗震结构体系设计的过程中应该设计多道抗震防线,并且还应该根据建筑的类型以及因素进行设计,这样不仅可以避免因为建筑中某些部分的构件的破坏而造成整个建筑体系的抗震能力失效的现象,而且还可以保证建筑设计的安全性。在设计中结合建筑特点、经济条件等因素综合考虑,并且在建筑抗震结构体系的设计中应该选择不承受重力载荷的构件。抗震结构体系必须具有合理的地震作用传递途径,设计中不适合采用轴压比较大的钢筋混凝土框架作为抗震结构体系设计的第一道防线,在抗震设计中设计多道防线主要是为了减少建筑主体结构的地震能量,必要的强度分布以及刚度能够减轻主体结构的破坏。

4.3 层间位移的控制

高层住宅建筑都具有非常大的高宽比,并且在地震以及风力的作用下会产生非常大的层间位移的现象,严重情况会超出结构位移的限制数值,位移限值的大小与建筑结构体系和结构材料、侧向荷载以及装修等多方面因素有关。所以在高层住宅建筑结构设计的过程中应该根据建筑的具体情况以及地理位置等进行设计,不仅应该具有足够的刚度,而且诶还应该有效避免水平载荷作用下造成的位移现象,而影响建筑结构的稳定性、承载能力和舒适度。

5.结语

随着新型结构、高性能材料的出现人类建筑也势必再上新台阶，理顺结构与建筑，使得新型结构建筑要求同时能满足建筑物的使用功能和外观要求。提高结构与设备的关系，需要从目前抗震设计现状出发，设计者应根据工程抗震概念各方面的知识和经验，作出正确的工程判断，找出结构安全与经济合理的最佳结合点，探求处一种实用可行的二步或三步设防的合理有效的抗震设计方法，以更好地适应社会经济和科学技术的发展。

参考文献：

[1] 战宇,李长凤,张欢,等.高层建筑结构抗震优化设计探讨[J]．低温建筑技术,2011,33(1).

[2] 张凤瑛.高层住宅建筑结构抗震的优化设计[J]．城市建设理论研究(电子版),2011(31)．