高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

袁貝貝

（新疆四方建筑設(shè)計(jì)院有限公司 新疆 830042）

高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

袁貝貝

（新疆四方建筑設(shè)計(jì)院有限公司 新疆 830042）

進(jìn)入新時(shí)期以來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程日益加劇，當(dāng)前高層混凝土建筑作為有效緩解城市建設(shè)用地緊張的重要建筑形式而實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。然而需要注意的是，當(dāng)建筑物高度越高時(shí)，其抵抗諸如風(fēng)或地震的能力與建筑物高度成反比，并且我國(guó)部分地區(qū)屬于地震頻發(fā)帶，因而做好高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)成為廣大建筑企業(yè)的重要工作之一。因此，本文將對(duì)結(jié)構(gòu)以及地震作用下破壞的特點(diǎn)展開(kāi)論述，并在此基礎(chǔ)上探究出一些高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。

高層混凝土；建筑抗震；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；對(duì)策

一、高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)及其地震作用下破壞特點(diǎn)概述

1.高層建筑結(jié)構(gòu)

通長(zhǎng)情況下，將建筑物高度大于28米，且樓層數(shù)大于10層的混凝土建筑稱之為高層混凝土建筑。從專業(yè)角度而言，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)即豎向懸臂結(jié)構(gòu)，其所受到的軸向力與彎矩是由垂直荷載與水平荷載所造成的，建筑軸向力與高度是一種線性關(guān)系，隨著高度的增加，其所受到的軸向力也會(huì)隨之增大，并且高層混凝土建筑的彎矩與水平位移和層數(shù)是呈現(xiàn)上升曲線的關(guān)系。由此可知，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的水平荷載的影響要遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，從設(shè)計(jì)上來(lái)看，水平荷載結(jié)構(gòu)的抵抗能力較低，從而致使荷載產(chǎn)生拉應(yīng)力、剪力以及彎矩，所以必須要求結(jié)構(gòu)有一定的剛度。隨著樓層的增加，還會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形，因此在設(shè)計(jì)中，必須將其限制在結(jié)構(gòu)范圍當(dāng)中。

2.地震作用下高層建筑的破壞特點(diǎn)

2.1 地基破壞特點(diǎn)

對(duì)高層混凝土建筑來(lái)說(shuō)，其一旦遭受地震時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑地基因劇烈震動(dòng)而產(chǎn)生不均勻沉降現(xiàn)象，該沉降不僅會(huì)造成建筑裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)更會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成極大的破壞，更為嚴(yán)重的是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)自振周期與地震作用的周期接近時(shí)，會(huì)致使建筑結(jié)構(gòu)因共振效應(yīng)而遭受巨大破壞。此外，當(dāng)高層建筑混凝土地基屬于軟弱土層地質(zhì)時(shí)，在遭受地震時(shí)，其地基不均勻沉降程度會(huì)因土體液化而大于別的地質(zhì)情況，這就意味其地基破壞程度也更加嚴(yán)重。

2.2 剛度破壞特點(diǎn)

建筑主體結(jié)構(gòu)如果采用Y形或L形等不對(duì)稱的平面形狀，會(huì)在地震力作用下，極易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使得地震破壞程度更為嚴(yán)重，所以建筑平面形狀宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，質(zhì)量、剛度和承載力分布宜均勻，減少偏小的同時(shí)平面長(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng)，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面布置。體型復(fù)雜、平立面不規(guī)則的建筑，應(yīng)根據(jù)不規(guī)則的程度、地基基礎(chǔ)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素的比較分析，確定是否設(shè)置防震縫。

2.3 結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

結(jié)合實(shí)踐來(lái)看，許多高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)多采用剪力墻以及框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式，這兩類建筑結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)它們的結(jié)構(gòu)體系破壞特點(diǎn)各有不同。剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，承載力要求也容易滿足，但剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，不能滿足公共建筑的使用要求，結(jié)構(gòu)自重也往往比較大。剪力墻中的連梁在水平荷載作用下的破壞可分為兩種，即脆性破壞（剪切破壞)和延性破壞(彎曲破壞)。連梁在發(fā)生脆性破壞時(shí)就喪失了承載力，在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時(shí)，各墻肢喪失了連梁對(duì)它的約束作用，將成為單片的獨(dú)立墻。這會(huì)使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并且進(jìn)一步增加P—Δ效應(yīng)，并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁在發(fā)生延性破壞時(shí)，梁端會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)會(huì)出現(xiàn)微裂縫，在地震作用下會(huì)出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性絞，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量，同時(shí)通過(guò)塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對(duì)墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。在這一過(guò)程中，連梁起到了一種耗能的作用，對(duì)減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是由若干個(gè)框架和剪力墻共同作為豎向承重結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)建筑布置比較靈活，可以形成較大的空間，但抵抗水平荷載的能力較差，而剪力墻結(jié)構(gòu)則相反。框架一剪力墻結(jié)構(gòu)使兩者結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在框架的某些柱間布置剪力墻，從而形成承載能力較大、建筑布置又較靈活的結(jié)構(gòu)體系。在這種結(jié)構(gòu)中，框架和剪力墻是協(xié)同工作的，框架主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平荷載。

二、高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略探究

1.增設(shè)抗震防線

一般情況下，大型地震過(guò)后都會(huì)產(chǎn)生余震，因此，如果僅僅設(shè)置一道抗震防線，則一旦出現(xiàn)余震將該道抗震防線破壞，則極易對(duì)高層建筑的主體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，甚至還有導(dǎo)致建筑倒塌的情況發(fā)生。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以采用增設(shè)抗震防線的形式來(lái)提高建筑的抗震能力，避免該類情況的出現(xiàn)?？拐鸱谰€的形式種類較多，可以采用框架剪力墻的結(jié)構(gòu)形式?？蚣芗袅κ蔷哂卸嗟揽拐鸱谰€的結(jié)構(gòu)，并且性能較為穩(wěn)定。其中，其第一道抗震防線即為剪力墻，同時(shí)，這也是最為重要的抗側(cè)力構(gòu)件。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量加設(shè)剪力墻的數(shù)量，以保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗地震能力。除此之外，如果由于地震作用力過(guò)大而導(dǎo)致剪力墻發(fā)生開(kāi)裂的情況，應(yīng)將各層框架部分根據(jù)墻與框架的協(xié)同工作來(lái)科學(xué)分配地震剪力。

2.采取抗震加固設(shè)計(jì)

為了有效提高高層混凝土建筑抗震能力，廣大建筑企業(yè)應(yīng)在其建設(shè)中采取抗震加固設(shè)計(jì)。對(duì)此，筆者認(rèn)為可以通過(guò)以下兩方面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先，采取分體柱設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，高層混凝土建筑短柱具有較好的抗剪與抗彎性能，但前者要弱于后者，因而這就造成了建筑在遭受地震時(shí)短柱抗彎性能尚未完全體現(xiàn)，便產(chǎn)生剪壞破壞，從而導(dǎo)致高層混凝土建筑出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。鑒于短柱抗剪性能與抗彎性能不對(duì)等而產(chǎn)生的破壞，這就要求建筑企業(yè)通過(guò)采取相應(yīng)措施確保其抗剪與抗彎性能相等。因此，我們可以通過(guò)采取分體柱設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)主要是通過(guò)在柱子豎向設(shè)縫，隨后將其劃分為各分體柱后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在分體柱配筋布置諸如分隔板、摩擦阻尼器以及通縫等連接鍵。通過(guò)采取分體柱設(shè)計(jì)在合理減小抗彎能力基礎(chǔ)上，使得短柱轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)柱，進(jìn)而將其抗震能力實(shí)現(xiàn)提升。其次，采用螺旋復(fù)合箍筋，在高層混凝土建筑中框架柱的建設(shè)不但要使其抗剪能力和強(qiáng)剪弱彎與剪壓比相符，同時(shí)框架柱的端部抗彎能力則應(yīng)控制在強(qiáng)柱弱梁限值標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)其短柱在強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)剪弱彎時(shí)，那么將有效地避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剪切性破壞。對(duì)此，建筑企業(yè)在建設(shè)中可以通過(guò)采用螺旋復(fù)合箍筋的方法解決，不同與其他箍筋，螺旋復(fù)合箍筋不但有助于促使柱子抗沖剪能力實(shí)現(xiàn)提升，同時(shí)也能夠有利于短柱抗震性能提升。

3.減少地震能力的輸入

首先，應(yīng)正確處理位移問(wèn)題。在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以計(jì)算承載力為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并使用彈性策略對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析，從而確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。與此同時(shí)，還應(yīng)充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的橫向彎矩，以盡可能降低水平方向上的側(cè)移，減輕建筑的自身重量。其次，應(yīng)將地震的與其作用進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)科學(xué)的預(yù)算、計(jì)算來(lái)對(duì)其變形問(wèn)題進(jìn)行分析。再次，應(yīng)著重考慮構(gòu)件承載力，對(duì)地震位移與層間側(cè)移間的延性比進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，以確保高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的實(shí)用與穩(wěn)定。

三、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，地震具有極強(qiáng)的破壞性與隨機(jī)性，并且容易發(fā)生余震，具有極強(qiáng)的危害性。而現(xiàn)階段，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)作為我國(guó)重要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，如何做好其抗震設(shè)計(jì)，盡可能降低地震對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的危害成為了設(shè)計(jì)人員的重要課題。在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面分析建筑物所處的地質(zhì)條件，并運(yùn)用科學(xué)的方法來(lái)提升高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供可靠的保障。

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