高层住宅建筑结构的抗震优化设计策略

王攀铭

（杭州九米建筑设计有限公司，浙江 杭州 310000）

一、高层建筑抗震设计原则

高层建筑的抗震设计应体现科学性和合理性。为提升抗震设计效果，要遵循相应的抗震设计原则。根据规范要求，确定建筑项目的抗震等级，以此作为抗震设计的重要依据。高于地区抗震设防烈度为大震。高层建筑遭遇大震时，能保证建筑结构不坍塌，居住人员有足够的逃生时间。抗震设计以提高安全性为主；与地区抗震设防烈度相当的地震为中震。高层建筑遭遇中震时，虽然建筑结构受到损坏，但通过加固维修仍可使用，抗震设计以提高适用性为主；低于地区抗震设防烈度的为小震。建筑的抗震设计足以抵抗地震危害，建筑结构不会受到破坏。这是抗震设计的三个重要原则。在高层建筑的结构抗震设计中，需建立分析模型，代入抗震设防烈度的相关参数，对模型进行模拟测算，确保高层建筑的抗震性能满足设计要求，满足建筑结构的稳定性要求。

二、高层建筑常见结构类型及抗震设计

目前我国建筑行业发展迅速，为了满足城市发展的需求，城市建筑工程都朝着高层和超高层方向发展。高层建筑的结构类型有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构。这几种结构类型的抗震设计有不同的技术要求：

（一）框架结构

框架结构是目前高层建筑最常用的结构类型，工程适用性较好，应用范围广，与其他结构类型相比建设成本较低。框架结构的承重主体为梁和柱组成的框架结构，受自身结构特性的影响，框架结构的侧向刚度不足，由于地震横波会使高层建筑的侧向结构出现位移，所以高层框架结构建筑的抗震设计重点是合理提升梁柱结构体系的侧向刚度，减轻地震横波造成的侧向剪切性破坏影响，提升建筑的抗震效果，保证结构的安全性符合设计要求。

（二）剪力墙结构

剪力墙结构的承重主要依靠剪力墙、异形柱和梁共同组成受力结构体系，这种结构的侧向刚度较好，但空间布局的灵活度不足，施工的成本费用略高。剪力墙结构的抗震设计核心问题是提升层间变形的协调性。剪力墙结构具有较强的规律性，侧向刚度较好。抗震设计宜采用双向布置，可较好抵抗各自方向的水平力，沿高度方向竖向布置可有效避免刚度突变。由于叠合错洞墙的应力分布复杂，在设计中应尽量避免门窗洞口上下错开，无法避免时，应进行洞口周围的受力分析计算并采取有效措施提高结构强度。

（三）框架剪力墙结构

框架剪力墙结构综合框架和剪力墙的结构优势，梁柱体系和剪力墙结构共同承担荷载受力，可以有效弥补框架结构侧向刚度较差的缺点，提升建筑整体的结构性能。在进行抗震设计时，根据框架部分和剪力墙部分承受的地震倾覆力矩比值确定设计方案，满足框架剪力墙结构抗震措施要求的同时，还应充分考虑梁柱框架与剪力墙的刚度、变形特点，选择合适位置设置剪力墙，使结构整体刚度具有均匀、连续的特性，构成双向抗侧力结构体系提高建筑整体抗震性。

三、高层建筑抗震设计中存在的问题

（一）轴压比和短柱对抗震性能的影响

在高层钢筋混凝土结构中控制柱的轴压比主要是防止柱受拉钢筋未达到屈服强度，但受压区混凝土先被压碎，使柱塑性变形能力差，结构延性和耗能能力受到影响。高层建筑中框架柱承担的竖向荷载较大，为满足规范要求的轴压比，一般柱截面尺寸较大，剪跨比一般小于2，为短柱，底部几层更可能为超短柱。为确保地震作用下结构的安全，应对框架柱采取加强措施，可采用全高箍筋加密，采用螺旋箍筋或者中间设置型钢等加强措施。

（二）结构高度对抗震性能的影响

结构高度为室外地面至主要屋面构件的高度，结构承受的倾覆弯矩随结构高度的增加而增加。建筑物高度越高，结构的稳定性就越差，相应的结构刚度就需要更大，剪力墙等承受的水平力构件就需要布置越多，结构经济性会变得较差。当建筑结构的高度超过相关规范允许值时，应采取比规范更严格的抗震措施进行抗震超限专项设计，并通过专家的论证后方可实施。

四、高层建筑结构抗震优化设计策略

（一）优化建筑结构的平面设计

高层建筑的开发商为了提高项目收益，提升建筑平面空间的利用率，减少剪力墙的使用，降低了建筑结构的承重效果，同时也削弱了建筑的抗震性能。为了提高建筑结构的安全性和稳固性，需对建筑平面结构进行科学设计，满足空间使用要求的同时，使建筑结构达到抗震设计标准。利用先进的技术措施提升结构抗震性能，使建筑工程满足设计质量要求。

（二）运用高延性结构消震和隔震

高延性结构可以有效提高抗震能力，并且有着良好的吸收地震能量的作用，我国当前在建筑的防震设计及后期施工过程中，为增加建筑结构的延性、整体刚度，对结构节点构造进行了科学合理的设计，以减少地震作用带来的不利影响。必要时可采用减震、隔震设计，确保建筑结构的安全、经济、适用。如图1 所示。

（三）注意薄弱层的结构设计

建筑结构的薄弱层一般出现在建筑结构竖向抗侧力构件不连续，楼层的承载力出现突变以及结构侧向刚度的突变位置。在地震的作用下，薄弱层是最容易受到影响的，因此在强化薄弱层的结构计算分析的基础上，要加强薄弱层的抗震承载能力和耗能能力，使薄弱层有足够的强度和刚度来应对地震作用。

（四）合理选择和布置

建筑方案结构工程师的作用是配合建筑设计师的工作，通过力学计算分析、概念设计等方式尽可能实现其设计意图。然而在方案设计时，结构工程师往往参与较少，待建筑方案确定后往往出现结构布置不合理、不满足抗震设计要求的情况。因此，为确保后期结构抗震方案的可实施性，结构工程师应尽可能早地参与到建筑方案的确定过程中来，并要求建筑方案遵循“平面对称、立面均匀”的布置原则。

（五）加强建筑结构的整体性

只有保证建筑结构内部整体强度、刚度和耗能能力，在发生地震时各个部件才能够协调工作。因此，应加强结构四周梁截面尺寸，对于开大洞四周楼板要加大楼板厚度和拉通筋的配筋率，提高楼板的平面内刚度，确保结构满足计算假设以及结构抗震性能满足规范要求。

（六）对于其他非结构部件的处理

除了主要受力构件，建筑物还包含填充墙体、外围装饰墙板、屋面广告牌、附属机电设备等非结构构件。当地震发生时，这些构件也会在不同程度上受到地震作用，对建筑结构的整体抗震性能产生一定影响，因此对其进行合理的处理，能更好地提高建筑物的抗震能力，减少地震造成的次生灾害。

结束语

综上所述，随着我国社会经济水平的不断提高，高层以及各种超高层建筑在城市建设中的应用越来越多。为有效保障人们生命财产安全，必须重视对高层建筑结构的抗震设计，尤其是进行抗震概念设计能有效降低地震对建筑物的损害，提升社会经济效益。