淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

李玉金

摘要：隨著建筑市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，高層建筑項(xiàng)目逐漸增加，高層建筑在地震作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞形式引起廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注，這也是高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要的參考依據(jù)，本文結(jié)合筆者多年高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討，以供同仁參考之用。

關(guān)鍵詞：高層建筑；地震作用；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

前言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)一體化規(guī)?？焖贁U(kuò)大，城鎮(zhèn)規(guī)劃與建設(shè)用地的矛盾日益尖銳，這為推動(dòng)高層建筑發(fā)展創(chuàng)造客觀條件，而建筑理論與材料的發(fā)展以及施工水平的提升、電算化的普及為推動(dòng)高層建筑項(xiàng)目的增加提供技術(shù)支持，而高層建筑對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提出更為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。近幾年我國(guó)發(fā)生地震災(zāi)害如汶川、玉樹(shù)、雅安等地震，對(duì)廣大人民群眾造成極大的傷害，也對(duì)我們廣大結(jié)構(gòu)工程師敲響了警鐘。筆者認(rèn)為地震產(chǎn)生的影響作用較為復(fù)雜，現(xiàn)階段還沒(méi)有一套完整的理論進(jìn)行抗震計(jì)算，而抗震規(guī)范建議的計(jì)算公式也屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)型，然而在高層建筑的樓層設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師通過(guò)采用多種措施來(lái)提高高層建筑的抗震能力。

1.高層建筑在地震作用下破壞特點(diǎn)

1.1 地基破壞特點(diǎn)

高層建筑在軟弱土層較厚的場(chǎng)地，發(fā)生的破壞率較高，土體液化造成基礎(chǔ)發(fā)生沉降，導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜與破壞，在危險(xiǎn)與不利地段修建高層建筑，一旦發(fā)生地震往往造成基礎(chǔ)的不均勻沉降，造成建筑物開(kāi)裂，當(dāng)高層建筑自身結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地周期接近時(shí)在地震作用下發(fā)生共振效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)不同程度的破壞。

1.2 結(jié)構(gòu)體系破壞特點(diǎn)

a.框架填墻的高層結(jié)構(gòu)體系，在地震作用下建筑平面內(nèi)框架柱上端部分容易出現(xiàn)剪切型破壞，而在窗洞部分由于受到窗下墻作用造成短柱性破壞。

b.框架剪力墻的高層結(jié)構(gòu)體系，在地震作用下主體結(jié)構(gòu)的破壞情況相對(duì)較輕。

c.底框結(jié)構(gòu)的高層結(jié)構(gòu)體系，由于底層的剛度較低，因此結(jié)構(gòu)破壞情況較為嚴(yán)重，而采用框架—填墻的高層結(jié)構(gòu)體系，由于底層框架屬于敞開(kāi)式，并未砌墻其剛度較低，因此底層受到破壞同為重要。

1.3 剛度破壞特點(diǎn)

主體結(jié)構(gòu)采用矩形平面形式，布置電梯井等構(gòu)件一旦出現(xiàn)偏心，在出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)更加加劇了震害，而對(duì)于L 形、三角形等不對(duì)稱平面形式，在地震作用下由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響而加重了震害破壞。

1.4 構(gòu)件形式破壞特點(diǎn)

采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑，柱的破壞情況遠(yuǎn)比板、梁嚴(yán)重，剪力墻的窗臺(tái)下端出現(xiàn)交叉性裂縫，而框架柱由于布置螺旋箍筋，因此層間位移角較大，框架柱在地震作用下產(chǎn)生較好的抵抗特點(diǎn)。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

2.1 加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

眾所周知，任何建筑工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)與否直接決定了建筑質(zhì)量?jī)?yōu)劣，高層建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣如此，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量將相同的結(jié)構(gòu)單元布置在性質(zhì)接近的地基上，并且選擇采一致的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，一旦地基出現(xiàn)液化土、橡皮土、新填土等承載力不均勻的土層時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇合理的措施來(lái)提升基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度與整體性，從而確保地基的承載力。底框結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中具有理想的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性取得較為廣泛使用，然而該結(jié)構(gòu)體系剛度分布不均勻出現(xiàn)頭重腳輕的情況，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)變形不均勻，因此在地震過(guò)程中由于其抗扭性能并不理想，而造成房屋的局部開(kāi)裂與倒塌，對(duì)此在設(shè)防烈度較高的區(qū)域盡量避免采用該結(jié)構(gòu)形式，或在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取對(duì)應(yīng)措施保證其上下剛度均勻協(xié)調(diào)，提高其抗震水平。

2.2增加抗震防線數(shù)量

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)體系包含多個(gè)具有理想延性分體系，并將具有延性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行協(xié)同連接，如框-剪力結(jié)構(gòu)就是將剪力墻與框架分體組合形成多肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，一般高烈度地震發(fā)生之后通常會(huì)出現(xiàn)一系列余震，因此如果只設(shè)置一道抗震防線，那么當(dāng)該抗震防線破壞后一旦發(fā)生余震，對(duì)高層主體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷，甚至出現(xiàn)倒塌情況。設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建抗震結(jié)構(gòu)體系時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)冗余度，同時(shí)布置一系列屈服區(qū)域，因?yàn)橹饕Y(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件自身具有理想的剛度與延性，確保主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠最大程度上吸收地震能量，增強(qiáng)抗震能力，有效避免在地震過(guò)程中出現(xiàn)大面積倒塌。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)防體系，在同一平面內(nèi)將主要構(gòu)件達(dá)到屈服后，剩余抗側(cè)力部件處于彈性過(guò)程階段，提高主體結(jié)構(gòu)的有效屈服持續(xù)時(shí)間，確保主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移與延性能力。設(shè)計(jì)人員在抗震設(shè)計(jì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)中當(dāng)某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)移設(shè)計(jì)值過(guò)大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件出現(xiàn)薄弱，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中中設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理加強(qiáng)構(gòu)件的抗側(cè)移能力，對(duì)于在施工過(guò)程出現(xiàn)的以大帶小，提高個(gè)別抗側(cè)力部件的配筋率等做法都要進(jìn)行反復(fù)權(quán)衡。

2.3 豐富高層建筑抗震計(jì)算設(shè)計(jì)方法

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)采取基于位移抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案展開(kāi)定量性分析探討，保證主體結(jié)構(gòu)自身變形能力能符合在一般地震作用下產(chǎn)生變形要求。設(shè)計(jì)人員在計(jì)算主體結(jié)構(gòu)承載力的同時(shí)，并實(shí)時(shí)控制在高震級(jí)作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的層間位移角與延性位移，結(jié)合建筑構(gòu)件的位移與結(jié)構(gòu)變形關(guān)系，來(lái)獲取主要構(gòu)件的變形數(shù)值，同時(shí)按照建筑截面的應(yīng)變情況與應(yīng)變大小，來(lái)判斷構(gòu)件的實(shí)際構(gòu)造要求，除此以外高層建筑場(chǎng)地條件良好的情況下施工，應(yīng)當(dāng)減少地震能量的輸入，從減少高層建筑的主體結(jié)構(gòu)破壞。

2.4抗震加固設(shè)計(jì)

高層建筑大多數(shù)情況都有設(shè)防抗震要求，對(duì)此高層建筑不僅要符合剛度、延性要求外，要有一定強(qiáng)度要求，而鋼筋混凝土自身具有較大自重，尤其對(duì)于底層柱其軸力與建筑物高度成正比，而高層建筑的主要構(gòu)件對(duì)其抗震設(shè)計(jì)具有延性要求，在層高固定的條件下，一般通過(guò)調(diào)整軸壓比來(lái)提提高構(gòu)件延性，然而軸壓比不能過(guò)大，否則增加柱截面尺寸，并形成結(jié)構(gòu)短柱，作為結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)了解短柱在高層建筑中其延性極差，一旦遇到高于設(shè)防烈度的地震，容易出現(xiàn)剪切破壞可能引起整座建筑物倒塌，因此需要進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

（1）選用螺旋復(fù)合箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力應(yīng)當(dāng)符合強(qiáng)剪弱彎與剪壓比標(biāo)準(zhǔn)，柱子端部的抗彎能力應(yīng)該符合強(qiáng)柱弱梁限值標(biāo)準(zhǔn)的，而短柱在滿足強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的條件下，不會(huì)出現(xiàn)剪切性破壞，螺旋復(fù)合箍筋最大的特點(diǎn)就是能夠提高柱的抗沖剪能力，優(yōu)化混凝土約束，從而能夠提高短柱的抗震能力。

（2）選用分體柱

短柱自身抗彎遠(yuǎn)比抗剪能力強(qiáng)，因此在地震過(guò)程中通常是沒(méi)有充分發(fā)揮其抗彎能力時(shí)就已經(jīng)發(fā)生剪壞破壞，對(duì)此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)降低短柱的抗彎能力，使其與抗剪強(qiáng)度接近或者略低，這樣在地震過(guò)程中，短柱先達(dá)到抗彎的屈服強(qiáng)度，表現(xiàn)其延性破壞形態(tài)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的降低抗彎強(qiáng)度方法，就是將柱子沿豎向設(shè)縫將其分為若干個(gè)分體柱，分體柱的配筋可在柱肢間布置一定數(shù)量的連接鍵，從而提高構(gòu)件剛度與抗震耗能能力，常見(jiàn)的連接鍵主要包括分隔板、通縫、摩擦阻尼器等，筆者對(duì)于分體柱使用性能狀態(tài)的理論與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分體柱的選用盡管無(wú)法提高柱子的抗剪能力，但是在降低抗彎能力的同時(shí)，有效提高柱子的延性與整體變形能力，短柱的破壞形態(tài)從剪切型向彎曲型發(fā)生轉(zhuǎn)變，達(dá)到了設(shè)計(jì)人員由短柱向長(zhǎng)柱轉(zhuǎn)變，極大改善短柱的抗震能力，目前分體柱已經(jīng)在高層建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)現(xiàn)階段的高層建筑抗震設(shè)計(jì)處在摸索與研究階段，雖然通過(guò)大量的實(shí)踐得到一定經(jīng)驗(yàn)，然而在高層建筑整體抗震理論分析方面還需逐步完善，只有通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員共同努力，積極推動(dòng)地基與結(jié)構(gòu)的材料特性以及動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，才能全面解決高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題，才能更好為社會(huì)服務(wù)。

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