高层住宅建筑结构的抗震优化设计研究

【摘要】高层住宅项目的内部结构复杂，如果设计有缺漏，会降低结构稳定性，導致抗震能力偏弱。本文以结构抗震设计主要探讨内容，大体上分成设计方向与设计要点两个部分，前者包括传力方式、延性、抗震措施与刚度;后者从位移和水准烈度入手，以期同行参考。

【关键词】高层住宅;抗震性能;建筑结构

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.25.054

高层抗震性能体现在建筑遭遇地震期间，布置的多道抗震措施以及结构本身，抵抗地震带来的冲击力，以降低伤亡与经济损失。高层中心相对更高，稳定性较差，加之内部人员总数较多，若遭遇地震灾害时，结构抗震能力不高，形成的损失是多层建筑数倍。因而，应落实结构抗震的设计效果，保障居住安全。

1、高层住宅建筑结构的抗震优化设计方向

围绕结构的抗震性能落实设计方案，需基于高层原本结构特征，继而提升构筑物强度与延性等，优化主体结构应用性能。在确定建筑体系中，应思考以下内容。

1.1地震传力方式

在设计结构抗震期间，应基于地震的特点，综合分析水平方向与重力荷载，以求设计出简单且高效的传力方式，使荷载可以准确传至结构的纵向构件，比如墙体与柱体等。首先，对于没有转换层的高层项目，部署纵向构件中，最适宜的结构模式为让纵向构件受到重力荷载，形成的轴压力作用在自身几何中心，尽可能控制偏心距。其次，超高层的项目中，以确保抗侧力的主体系统保持贯通状态，确保传力的通畅性。一般应用到的此类结构包括剪力墙与框架等。如果由于设计需要，造成纵向的某些变化，需确保此波动具备连续性和均匀性的特征，继而优化实际的受力情况。最后，在确定抗侧力的构件中，需确保整体结构不能发生脆性损坏问题。而为量化实际延性，能借助相关的延性系数（μ）确定特征，可使用下述公式进行计算：

μ=△μp /△ μy

其中，△μp 表示顶点的屈服位移量，单位是米;△μy对应顶点弹塑性的位移变化限值。基于实践总结设计经验，μ在3～4之间是比较适宜的。

1.2构件必要延性

在抗震的设计任务中，延性是必要的考虑问题。原因在于：地震发生时个别构件会由于受损不能发挥抗震作用，使得构件基数减少，荷载无变化，但依旧能保证可以全部承受，继而避免总体结构丧失抗震性能，提升高层建筑抗震效果。在地震灾害出现时，框架、柱体根部等局部的应力承受情况极为复杂且集中，容易发生损坏。对此，优化设计中，应使各部分受损位置落于梁端，并非柱体的节点位置，能避免柱节点先损坏，造成建筑总体结构坍塌。另外，若高层建筑为框架-剪力墙或单纯剪力墙模式下，每个墙段实际高宽比例需超过2 。

1.3多道抗震措施

在优化框架-剪力墙中，应设置多道抗震措施，以提升高层结构的抗震效果。在高层结构中，剪力墙负责抗侧力的同时，还应是结构整体抗震体系中的第一个措施。设计师应保障剪力墙布设量的合理性，并准确设置该结构底部的倾覆力矩，根据高层建设标准，此数值至少应满足工程总倾覆力矩的一半。另外，不可出现间距超过限定值的现象，否则会造成楼板在平面中发生明显的变形。具体控制数值可根据结构施工方式，加以确定。一方面，现浇项目中，非抗震设计应5B， 间距60m;Ⅵ度以及Ⅶ度要求下，4B与50m间距;Ⅷ度标准中，3B和40m间距;Ⅸ度对应 2B与30m间距。另一方面，装配式的建筑中，非抗震设计应是3.5B，50m间距;Ⅵ度以及Ⅶ度要求下，3.5B与40m间距;Ⅷ度标准中，2.5B和30m间距。其中B表示结构的高宽比例，上述各组数值均为较小值。

在相邻剪力墙间形成开洞现象，需适当缩小高宽比例。同时，若剪力墙发生开裂问题，地震产生的作用力会被充分传递分配，并在新的位置上发挥作用。高层住宅建筑上的各层需根据结构与墙的协同情况，确定地震剪力，该数值不可低于结构底端总剪力值的20% ，且不能超过各层剪力最高值的1.5倍，或不足两项控制参数的较小值[1]。

1.4确保结构刚度

结构抗侧力性能，从力学角度来看，刚度是其中的重要内容，需保证结构刚度适宜性，并综合考量水平方向上的移动、稳定性与强度延性等多项数值的标准，准确把控刚度，确保高层结构能安全应用。结构设计环节中，不能盲目提高该数值，处于或略大于标准范围为宜。

2、高层住宅建筑结构的抗震优化设计要点

在高层项目中，若把抗震防水标准设置过高，会扩大物料及各类资源的投入规模，增加工程造价。但若此数值偏低，总体造价也随之降低，但会影响结构的抗震能力，若遭遇地震，结构会严重受损，甚至发生震中坍塌的情况，造成的后果是难以估计的。在设计环节中，应对此加以兼顾，输出最合理的结构设计方案。

2.1位移约束

高层项目结构体现出高宽比例偏大的特征，而各层间的位移会被物料及框架体系等多因子的共同作用，在设计结构中，需平衡各项因素。巧妙设计钢筋砼结构下位移限值，提升结构的平稳度，维护结构的功能性。高层整体高度偏大，相较于多层建筑，其结构的稳定性较低，容易被地震影响。因此，在地震中易发生层间的位移，对此需要在优化设计中，能强化对位移的约束，以免发生严重的位移现象。

2.2水准烈度

从国内曾发生过的地震情况来看，水准烈度能分出三个级别。首先，在半世纪内，超越概率在63.2%的烈度是众值烈度;其次，半世纪内，该指标是10%的烈度;最后，该指标在2%～3%之间的烈度。基于水准烈度的规定标准，建筑项目在面对不同烈度时应当呈现的反应标准为：一级烈度下不能出损伤，依旧可继续应用，受力情况能保持弹性变形的状态;二级烈度下，可形成轻微的损伤，通过简单修缮能继续应用，没有发生显著弹塑性变形，且永久型的变形程度没有明显变化;三级烈度下，总体结构为非弹性情况，但依据处于可控状态，没有趋近于临界变形值，不能出现倒塌问题。具体的设计标准为：小震环境下，需低于设计防烈度1.55度，结构不坏;中震可等于设防烈度，结构可坏;大震环境中，可略超过设防烈度1度，建筑结构需保持不倒[2]。

结语：

总而言之，在高层住宅项目持续增多及扩大趋势下，优化主体结构是必然趋势。本文着眼于设计本身，从多个维度深入，旨在提升高层抗震效果，维护主体结构的平稳度，控制因地震造成的损坏率，并兼顾建设经济性，为居民创建安全的生活环境。

参考文献：

[1]袁见明.高层住宅建筑结构设计的重点事项研究[J].建材与装饰，2020，（18）：110-111.

[2]原晓辉.高层住宅建筑结构设计需关注的问题分析[J].工程技术研究，2019，（01）：185-186.

作者简介：

高跃军（1983-），男，本科，工程师，从事结构设计工作。