論高層建筑抗震結(jié)構設計

史少華 熊勇權

(四川文理學院環(huán)境與建筑工程學院，四川 達州 635000)

論高層建筑抗震結(jié)構設計

史少華 熊勇權

(四川文理學院環(huán)境與建筑工程學院，四川 達州 635000)

就地震對高層建筑結(jié)構的破壞原因進行了分析和研究,總結(jié)了高層建筑結(jié)構抗震概念的意義，并從地基基礎抗震、抗震結(jié)構構件和非結(jié)構構件抗震原則及抗震設計應用等方面對高層建筑抗震結(jié)構設計進行了探討。

高層結(jié)構，地震荷載，概念設計

地震是一種地球地殼自然的運動,絕大多數(shù)的地震發(fā)生在地球深層對于人類來說影響很小,但如果發(fā)生在底層表面所釋放出巨大的能量將造成巨大的破壞。而我國又是地震高發(fā)地區(qū),如2008年的汶川大地震和2010年玉樹地震都造成大量的房屋倒塌,不僅使經(jīng)濟遭到損失而且人員也有很多傷亡,同時也看到很多房屋尤其是高層建筑在巨大的災難面前經(jīng)受住了嚴峻的考驗，這說明只要嚴格按照抗震設計規(guī)范來建造的建筑是能保障人民的生命財產(chǎn)安全的。然而高層建筑在地震時的損壞還是超出了我們的預期，因此高層建筑抗震設計是建筑物安全考慮的重要問題?，F(xiàn)在我們抗震規(guī)范要求“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三個水平的設防目標，以上是建筑設計抗震最低要求，而我們在進行高層建筑結(jié)構抗震設計中，要結(jié)合地區(qū)烈度及等級來考慮高層建筑抗震要求，其中下面幾個方面是優(yōu)先考慮的。

1 高層建筑抗震概念設計

目前我們對地震還知之甚少，建筑結(jié)構抗震設計理論目前還是以試驗與簡化后的理論結(jié)合來制定的，還有不少不足和待完善的地方，所以在結(jié)構抗震設計時常常通過軟件數(shù)值計算，但只能從局部來解決。而結(jié)構抗震概念設計的目標是建筑物的整體結(jié)構在地震時能夠發(fā)揮耗散地震能量的作用，通過結(jié)構合理布局，選擇延性好，耗能強的結(jié)構體系來達到抗震設防目標。就是我們常說的強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構件，這就要求我們考慮以下幾個方面：1)要求采用受力明確，傳力簡單的結(jié)構體系；2)采取相應的抗震構造措施如加構造柱，圈梁，加強層，轉(zhuǎn)化層等來達到抗震要求；3)選取合適強度同時有良好延性的建筑材料以及正確施工技術實現(xiàn)對高層建筑結(jié)構體系抗震性能的合理控制。

2 場地與基礎

地震造成建筑的破壞首先考慮場地與基礎，因場地造成的工程的震害是很難恢復以及處理的，對于場地選擇盡可能避開斷裂帶和不利地段(如軟弱土，液化土，高聳孤立的山丘，半挖半填地基，斷層破碎帶等)，如避免不了就要對場地地基進行加固處理(如換土墊層法，重錘夯實法，強夯法，振動水沖法，深層擠密法，沙井預壓法等)，所以盡可能挑選對建筑抗震有利的地段(如開闊平坦地帶的堅硬場地或者密實均勻中硬場地)，不僅有利于建筑抗震性能而且經(jīng)濟合理。對高層建筑抗震地基優(yōu)先選擇淺基礎，并且同一結(jié)構體系不宜設在不同性質(zhì)的地基上，同一建筑不宜采取兩種以上的不同基礎，同時要考慮建筑結(jié)構上部體系與地基基礎相互作用關系。

3 選擇良好的抗震結(jié)構體系

1)高層建筑結(jié)構抗震體系選擇不同于其他建筑布局，除了簡單合理的結(jié)構布置，考慮其規(guī)則與對稱，避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)與失衡情況，因此豎向結(jié)構布置應有規(guī)則的均勻變化，從上而下結(jié)構剛度逐漸變小，如果由于建筑要求而發(fā)生平面，剛度以及承載力局部的突變變?yōu)椴灰?guī)則體系時，我們要根據(jù)地震規(guī)范與高規(guī)以下幾個方面來判斷其是否規(guī)則：a.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；b.抗扭剛度弱；c.層剛度??；d.平面不規(guī)則；e.樓板不規(guī)則；f.豎向剛度不規(guī)則，滿足其中一項為不規(guī)則,滿足其中三項為特別不規(guī)則,對于不規(guī)則結(jié)構要采取抗震措施來加強薄弱層的抗震性能，要進行超限高層建筑高層抗震設防的專項審查,此外對于多項指標超過抗震規(guī)范3.4.4條為嚴重不規(guī)則建筑，應該與建筑設計人員溝通最好改變設計方案。2)多道抗震設防?？刂仆唤Y(jié)構各構件或部件在地震中損壞或形成塑性鉸的順序而成的多道防御系統(tǒng)，使整個結(jié)構壞而不倒。為了避免因局部失效或者薄弱層而引起結(jié)構的破壞，要求結(jié)構體系由延性好的不同結(jié)構體系形成剛性的超靜定結(jié)構來共同工作以抵抗地震破壞。要求結(jié)構體系良好的整體性和變形能力，當?shù)谝坏揽拐鸱谰€遭受超過它設防要求而破壞，第二道防線作為下一道屏障對結(jié)構體系進行保護。如框架剪力墻體系既有框架又有抗震墻，抗震墻作為第一道防線，框架作為第二道防線。但如果抗震墻很少，結(jié)構就不是多道防線的結(jié)構體系。從以上可以看出房屋的倒塌由于抗側(cè)力構件不能承受荷載作用力，當采用多道抗震設防時,可以適當降低第一道防線的控制能力，提高第二道防線抗震能力。3)抗震薄弱層。薄弱層也是建筑抗震設計需重點關注的地方,根據(jù)材料的規(guī)格尺寸，剛度，變形能力，使用功能和建筑的美學的要求，致使建筑結(jié)構體系會突破常規(guī)要求，出現(xiàn)豎向和平面變化比較大的結(jié)構體系而成為相對的抗震薄弱環(huán)節(jié)，在罕見地震荷載作用下率先出現(xiàn)屈服，而發(fā)生彈塑性非線性變形,造成建筑的破壞，這里要強調(diào)三點：a.薄弱層只是在強震情況下考慮的結(jié)構彈塑性變形問題。b.要對結(jié)構從整體上進行受力分析，而避免只是考慮部分薄弱層受力與變形。c.由于結(jié)構是不是薄弱層只是一個相對概念，因此常常因為設計施工或者材料的變化導致薄弱層的改變，在此控制薄弱層位置發(fā)生轉(zhuǎn)移而又能達到它的變形能力，這是控制結(jié)構抗震性能最關鍵的。

4 非結(jié)構構件抗震設計

除承重結(jié)構以外的固定構件都是非承重結(jié)構，雖然非承重結(jié)構在建筑中只是附件非關鍵結(jié)構，但在屢次的震害過程中非結(jié)構造成的人員與財產(chǎn)損害已屢見不鮮了。非結(jié)構構件抗震要求以下幾點：1)先分清哪些是非結(jié)構構件，如屋頂?shù)难b飾屬于結(jié)構構件與否并不好界定，這種情況一般按結(jié)構構件處理。2)非結(jié)構體系對結(jié)構體系影響，對于設備作用在其結(jié)構主體上的非結(jié)構構件應計算設備的重力，與結(jié)構柔性連接的非結(jié)構可以不計其剛度，但當有專門構造措施可計入抗震承載力，同時要考慮非結(jié)構上作用的力對建筑結(jié)構的作用，并且相互的聯(lián)系要滿足錨固要求。3)非構件自身的地震力作用在其重心上，對于支撐在樓層和防震縫的兩側(cè)的非結(jié)構構件，要計入地震時支撐點之間相對的位移產(chǎn)生的作用效應，非構件在位移方向的剛度要根據(jù)其端部實際聯(lián)系分別根據(jù)不同的連接方式采用不同的力學模型。

5 結(jié)語

高層建筑設計前的地質(zhì)勘察是建筑是否成功的前提，接著根據(jù)地勘報告設計建筑方案是關鍵一步，建筑物設計是否有良好的抗震效果主要在建筑方案體現(xiàn)，接著是施工圖設計，它是把建筑思想變?yōu)楝F(xiàn)實最重要的一步，也是高層建筑結(jié)構設計抗震性優(yōu)劣的十分重要的具體體現(xiàn)，設計的基本要求要保證在“小震不壞，中震可修，大震不倒”基本目標，設計高層建筑物時，要注意建筑物的結(jié)構布置問題，盡量保證質(zhì)心與剛心重合、重心與質(zhì)心重合、剛心與重心重合的三心合一。這樣能提高抗震效果，增強抵御地震的抗破壞性。總之提高高層建筑抗震性能要根據(jù)建筑的等級來考慮安全指數(shù)。從一開始地區(qū)規(guī)劃，地質(zhì)勘查以及后來的建筑結(jié)構設計，建造過程以及施工工藝等的選擇這些都是控制高層建筑抗震效果的關鍵原因。

[1] 華 穎.抗震概念設計在高層建筑結(jié)構設計中的應用[J].中華民居，2013(6)：78-80.

[2] 都風強.高層建筑結(jié)構設計的實踐探討[J].科技創(chuàng)新導報，2009(2)：104-106.

[3] 方鄂華.我國高層建筑抗震設計的若干問題[J].土木工程學報，1999(3):43- 46.

Discussion on high-rise building seismic structure design

Shi Shaohua Xiong Yongquan

(CollegeofEnvironment&BuildingEngineering,SichuanCollegeofArts&Technology,Dazhou635000,China)

The paper analyzes and studies high-rise building structure earthquake damage causes, summarizes the seismic concept of high-rise structure, and analyzes high-rise buildings seismic structure design including foundation seismic resistance, seismic structure components, non-structural seismic resisting principles and seismic resisting design application and so on.

high-rise structure, seismic load, concept design

2015-04-01

史少華(1976- )，男，碩士，工程師； 熊勇權(1979- )，男，講師

1009-6825(2015)17-0027-02

TU973

A