高层住宅建筑结构抗震的优化设计

　　进入上世纪90年代以后，高层建筑已成为现代建筑的发展趋势。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化，优化建筑结构设计也越发受到业界普遍关注和重视。我国处于地震多发区，结构抗震分析和设计已提到建筑设计的日程，高层结构的优化设计必须引起足够的重视。但在如今高层结构设计中，因为设计师的设计理念和认识上的差异，在可靠性设计方面仍值得进一步商榷。而高层住宅建筑结构抗震的设计关系到建筑安全的首要问题，更突显出其重要的地位。

　　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，从而保证建筑结构的抗震性能，确保建筑物满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。建筑物在地震力的作用下，结构形态会发生较大变化，而设计者需要根据不同地震烈度不同建筑类型，采用不同的结构类型和不同的构造措施，从而达到安全和效益相统一的目的。因此，在高层建筑设计时必须认真进行抗震设计。在建筑抗震设计过程中若一味的提高结构抗力,增加结构刚度,则会导致结构刚度大则在地震发生过程中地震作用也会相应增大。因此，应考虑好结构构件的承载力、稳定性、延性、刚度等方面的性能。对结构的相对薄弱位置，进一步采取抗震措施。再者，承受竖向荷载构件，不能做为主要耗能构件。在进行抗震设计时，尽可能设多道防线，从而形成一个完整的抗震结构体系，通过各个延性良好的分体系的协同工作，从而达到良好的抗震效果。在处理结构的强弱关系时，尽量使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。合理设计结构的受力性能，当某一部位结构设计过强时，可能造成局部结构薄弱，因此，需考虑结构的整体协调工作。

　　2住宅高层建筑结构抗震设计要点

　　2.1结构规则性。建筑结构的不规则可能造成较大的地震扭转效应，产生严重应力集中，或形成抗震薄弱层。大量地震灾害表明，高层建筑物平面对称、结构简单、刚度质量沿建筑物竖向均匀分布的建筑具有较好的抗震性能。因此，在建筑抗震设计中，应使建筑物的平、立面布置规则、对称、具有良好的整体性。同时，质量与刚度变化均匀分布，防止在平面上质量中心与刚度中心不重合而造成严重的扭转振动。其中竖向抗侧力的截面尺寸和材料强度应自下而上逐渐减小，从而避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变而形成薄弱层。

　　2.2层间位移限制。高层建筑都具有较大的高宽比,其在风力和地震作用下往往能够产生较大的层间位移,甚至会超过结构的位移限值。该位移限值大小与结构材料、结构体系甚至装修标准以及侧向荷载等诸多因素有关。因此在进行高层建筑结构设计时应根据建筑物的实际情况以及所处的地理位置进行设计,既要满足其具有足够的刚度又要避免结构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、稳定性及舒适度的要求。

　　2.3控制地震扭转效应。由于地震波在传播过程中的折射、反射、散射所造成的强震地面运动具有三向水平和三向转动共六个自由度，地震作用本身就存在扭转分量。如果结构平面布置不规则，在水平地震作用下，也会产生扭转效应，对结构产生严重的破坏作用，而这种破坏作用往往被设计人员所忽视。但是，地震扭转效应是一个极其复杂的问题，对于体型复杂的建筑结构，即使楼层的“计算刚心”和质心重合，仍然存在明显的扭转效应。在高层住宅建筑设计时，就充分考虑扭转效应的影响。通过分析，扭转作用下各抗侧力结构的层间变形不同，造成结构边缘的抗侧力单元的层间侧移最大，考虑建筑上下刚度的分布不均匀，刚度中心没有在同一轴线，会产生较大的差距，从而造成各楼层结构偏心距和扭矩发生改变，因此,在设计过程中应对各层的扭转修正系数分别计算。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标。设计中应考虑双向地震作用下，当楼层抗扭刚度弱，平动周期与扭转周期比大于0.9或楼层抗剪承载力比值小于0.8时，属特别不规则建筑，应考虑偶然偏心。PKPM设计时两者同时选上，程序计算时自动叠加取大者。

　　3住宅高层建筑结构抗震的优化设计探讨

　　住宅高层建筑结构抗震的优化设计，指在注意总体布置上的大原则，进行结构设计时，顾及到关键部位的细节构造，全面合理地解决结构设计中的基本问题。需着眼于结构的总体地震反应，按照建筑结构在地震时破坏力分布，有针对性进行抗震设计优化，从根本上提高建筑结构的抗震能力。

　　3.1建筑场地的选择。选择有利的建筑场地，为减轻高层建筑物的震害，避开对建筑抗震不利的地段，在选址时，不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。应加强地基勘察，对于不利地段，尽量避开不利地质环境，结构工程师应提出避开要求，最好选择有利地段，当无法避开时，应采取有效措施。这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原因，如活动断层、溶洞、局部突出的山包等。

　　3.2 建筑的平、立面布置。根据新的《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)，持力层的选择对建筑物的安全至关重要。要求建筑的形状及抗侧力构件的平面布置宜规则的整体性，在相同的地震力作用下，避免采用严重不规则的设计方案。选择基础方案时，受力性能比较明确，既要考虑经济合理，设计时容易分析结构在地震时的实际反应和结构的内力分布，又要考虑抗震的要求，容易采取抗震构造措施和进行结构的局部处理。

　　3.3抗震结构体系。抗震结构体系体型是抗震设计中应考虑的最关键问题，结构体系应具有多道抗震防线，应根据建筑类因素，可避免因部分构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力。结合设计、经济条件综合考虑与确定，应优先选用不承受重力荷载的构件如框架填充墙构件。抗震结构体系必须具有合理的地震作用传递途径，不宜用轴压比很大的钢筋混凝土框架柱作为第一道防线。多道抗震防线，以减少输入主体结构的地震能量，必要的强度刚度和强度分布，达到减轻主体结构破坏的目的。

　　高层住宅建筑抗震设计在选择建筑结构的方案和采取抗震措施时，使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，提高结构总体抗震性能。

　　4结束语

　　随着新型结构、高性能材料的出现，高层住宅建筑设计技术也势必再上新台阶。设计者需根据工程抗震各方面的知识和经验，通过新型结构设计满足建筑安全要求，满足建筑物的使用功能和外观要求，理顺结构与建筑，结构与设备的关系。这就需要设计者从目前抗震设计现状出发，作出正确的工程判断，找出建筑安全与经济合理的最佳结合点，以更好地适应社会经济和建筑技术的发展。

　　参考文献

　　[1]中国建筑科学研究院建筑结构研究所. 高层建筑结构设计[M]. 北京：科学出版社，1982.

　　[2]高新艳. 钢筋混凝土框架结构的整体分析与优化设计[D]. 太原：太原理工大学，2007.

　　[3]张巍. 免拆墙模复合剪力墙体系保温性能与抗震性能的分析与研究[D]. 太原：太原理工大学，2007.

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文章名称： 高层住宅建筑结构抗震的优化设计

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