土木工程中高层建筑混凝土结构抗震设计

【摘 要】高层建筑混凝土结构的抗震性能设计，对于防止和避免建筑物在地震中坍塌，以及减少人员的伤亡具有一定的作用。本文通过分析高层建筑混凝土结构的特征及设计原则，提出高层混凝土建筑结构的抗震设计方法。

【关键词】混凝土结构；高层建筑；抗震设计

高层建筑混凝土的抗震结构设计对减轻地震灾害，起到根本的作用。在高层建筑抗震设计中，常出现建筑结构布置、框架结构设计不合理等问题而发生震害。因此在建筑抗震结构设计及内力分析方面，应充分考虑到建筑自身的空间结构、材质质量等多个重要因素，以提高高层混凝土建筑的抗震性能。

一、高层建筑混凝土结构的特征

混凝土结构建筑的楼层在10层或10层以上，或者建筑高度超过28m，定义为高层建筑。从定义中可看出高层建筑的特点体现在层数和高度上，而高层建筑更本质的特点是水平荷载设计起到关键作用。在高層建筑中研究建筑的抗侧力能力是抗震设计的重点，地震荷载和风荷载主要作用于建筑的水平力，其中地震荷载起控制的作用。破坏时间短，无规律的作用强度大，水平方向上的振动加以扭转振动是地震力对建筑的破坏特点。在设计过程完全应用弹性理论来设计以提高建筑的抗震性能是不可行的。因为会增加抗侧构件的数量，使结构的自重增加，导致在地震中，由于建筑自身的惯性力过大，使抗震性能降低。

二、高层混凝土建筑抗震结构设计原则

（一）结构布置

平面布置是指在建筑设计的平面图上，将柱和墙的位置以及对楼盖具有的传力作用进行合理的设置。依据建筑的抗震性能来看，最关键的是尽量将建筑结构平面的刚度中心与质量中心相靠近或相重合，以降低地震力对建筑的破坏力。为了减轻建筑自身的重量，在设计时应以结构的平面规则、对称为宜。结构的刚度在竖向上应保持均匀，可尽量较为规则的设计竖向结构，少做平面上的变化。在安全规定内设计结构的高度和宽度，并且需限制两者的比值，以使结构有较好的整体刚度和稳定性。

（二）防震缝设置

建筑平面结构复杂时，可通过使用防震缝，将复杂面划分为简单且规则的平面，但是在高层建筑中，不宜使用防震缝。如果无法避免设缝，那么应根据不同的结构，按照需要较宽的规定来设置宽度。建筑的高度不超过15m，其防震宽度宜采用70mm；高度大于15m，应根据不同的度数相应的增加高度和防震缝宽度。

（三）材料选取

以具有抗震性能的混凝土结构，在材料的选择上，需遵循以下原则：对于一级抗震的建筑而言，混凝土结构框架的柱、梁等构件的材料选择不宜小于C30，且芯柱、构造柱、圈梁等其他类型的构件材料也不宜小于C20。考虑普通钢筋的受力等级，使用HRB335级和HRB400级热轧钢筋来承受结构的纵向力，使用HPB235、HRB335和HRB400级的热轧钢筋作为箍筋，普通钢筋的选用应考虑其韧性、延性及可焊性。抗震等级为一、二级的混凝土框架结构，需测量普通钢筋的在纵向上的抗拉强度和屈服强度，两者实际测量的比值不小于1.25，并且钢筋的强度标准值与实际测量出屈服强度的数值，两者的比值不大于1.3。

（四）截面设计

由梁、柱、抗震墙及连梁等组合的钢筋混凝土结构截面，在进行剪力的设计时需遵循，梁和连梁的跨高比大于2.5，结构的柱和抗震墙的剪跨比大于2，要求V≤1/γRE（0.20fcbh0）；柱和抗震墙的剪跨比小于2，结构的梁和连梁跨高比小于2.5，抗震墙的底部以及其部分的框支架和框支柱，要求V≤1/γRE（0.15fcbh0）。

三、高层建筑混凝土框架结构的抗震设计

高层建筑钢筋混凝土结构广泛应用于发展中国家，因其相对于钢结构的造价较低，有丰富材料来源，并且在建筑中能浇筑成各类复杂的断面结构。同时建筑所用的钢材量少，承载力也不低，竖向刚度大，结构的连接点浇筑可靠，经过合理的设计后具有很好的抗震性能。钢筋混凝土的框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等是现在高层建筑的主要结构类型。

（一）增加抗弯结构宽度

增加抗弯结构体系的有效宽度，在高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计中能提高建筑抗倾覆力矩，并且侧移三次方比例能得到减小，利用结构力学中的弯矩平衡法进行计算可更好理解这一设计方式。在实际建筑工程设计中，竖向构件在结构体系中的良好连接是必须要做到的。在框架结构设计中，设计构件应遵循强压弱拉、强柱弱梁、强节点弱杆件和强剪弱弯的原则。在实际当中，为实现框架与剪力墙的协同一致需控制各层楼板变形量。剪力墙的主要受力是弯曲变形，结构的主要受力是剪切变形，将两者进行有效协调变位，能实现框架抗震。

（二）设计构件布置方式

结构设计中的抗力构件的布置应发挥最有效的作用，以提高结构的整体协调力，例如斜撑、水平撑及桁架体系等。在实际设计中，不宜忽略其在结构中的作用，应根据具体受力状态，发挥杆件的抗拉和抗压能力。交叉撑或斜撑是最有效抗衡抗侧力的钢骨混凝土构件，其构件可完全适应受拉或受压的状态，且可充分是钢材抗拉能力和混凝土构件的抗压能力得到发挥的同时，又可在水平方向上增大架构的抗侧移刚度，以增强高层建筑缓凝土结构抗震作用。

（三）在实际结构的设计

实际结构的设计中对承受地震力的构件应增大构件的最大部分截面，主要表现为在底部中应用加强层。通常情况下在剪力墙底部的加强层，其高度应设计与底部两层的较大值，或1/8的墙肢总高度相接近。高度大于150m的剪力墙，墙肢总高度的1/10是其底部加强部位的高度。为保证结构的延性需要对截面的尺寸进行限制，以防止产生脆性破坏，尤其对于抗震结构的截面限制条件更为严格，将x设为混凝土受压区域梁端截面构建的高度，考虑钢筋的受力情况，计算结果应符合以下条件；一级，x≤0.25h0；二、三级，x≤0.35h0，H0表示为截面的有效高度。

（四）发挥楼盖的水平隔板作用

在建筑结构设计中将竖向的受力构件，也设计为是受弯构件，主要抗倾覆构件能在压力作用下，保持整体结构的稳定性。同时能减少增加构件数量，减轻结构自重，降低工程造价。在高层建筑中，实际楼盖发挥的隔板作用应符合计算假定：假定全部楼层采用刚性楼板。这主要因为结构楼板的刚度足够，楼板有一定的厚度并配有钢筋，且在平面内的开洞进行了限制。如果假定不符合，在地震力的作用下楼板会成为薄弱层，结构会在层高处竖向构件发生破坏，导致结构整体发生垮塌。

四、结语

高层建筑混凝土结构的抗震设计，是目前我国当代社会所关注的问题。在建筑前期做好平面结构布置、混凝土材料选用及钢筋混凝土框架的结构设计，以提高建筑的抗震性能。随着高层建筑在抗震设计方面的不断探索，将会使高层建筑的抗震性能得到不断的提高，地震带来的损失也将有所减小。

参考文献：

[1] 陈寅.关于高层混凝土建筑结构的抗震设计探讨[J].黑龙江科学， 2013（06）.