探究高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法

王喬

摘 要：抗震設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對(duì)于保護(hù)建筑中居民在遇到地震災(zāi)害時(shí)生命及財(cái)產(chǎn)的安全有著重要的意義。文章主要從六個(gè)方面，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行探討與研究，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

近些年，我國(guó)各地地震頻發(fā)，因地震而導(dǎo)致的建筑物（尤以高層建筑為甚）倒塌等災(zāi)害屢見(jiàn)不鮮（尤以高層建筑為甚），對(duì)人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的損害；與此同時(shí)，我國(guó)高層建筑的發(fā)展速度驚人，其結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜，因此，我們有必要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。下面，我們就高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行探討與研究。

1 選擇合適的地基

地震對(duì)于建筑物的破壞程度，除了與地震等級(jí)有關(guān)外，還包括建筑物與震中距離、所處地基的土壤、震源深淺程度等有直接的關(guān)系。因此，在高層建筑的選址過(guò)程中，要根據(jù)工程的實(shí)際需要，對(duì)周邊地區(qū)的地震活動(dòng)情況以及地質(zhì)情況進(jìn)行科學(xué)、充分的了解和分析，對(duì)該地的地震設(shè)計(jì)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，以此規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。高層建筑的地基應(yīng)盡量選擇巖石或具有較高密實(shí)度的基土，以減少地震能量的輸入，達(dá)到降低地震災(zāi)害程度的目的。若實(shí)在無(wú)法避開(kāi)，可采取相應(yīng)的措施，對(duì)其進(jìn)行加固和改造，以使其滿(mǎn)足高層建筑的抗震需求。

此外，由于埋深基礎(chǔ)周?chē)耐寥烙斜粍?dòng)土壓力，能夠抵抗高層建筑因受水平荷載而造成的滑移和傾覆，為保證高層建筑的穩(wěn)定性，通常要求基礎(chǔ)要有一定的埋深。比如，天然地基的基礎(chǔ)埋深需達(dá)到建筑高度的1/5，樁基基礎(chǔ)埋深需達(dá)到建筑高度的1/18。

2 重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

歷史上，由于建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性對(duì)抗震效果產(chǎn)生消極影響的例子，鮮有發(fā)生。所以，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)避免外形嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)，其平面布置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：（1）平面規(guī)則、對(duì)稱(chēng)、不偏心；（2）長(zhǎng)度要適當(dāng)，不可過(guò)長(zhǎng)；（3）細(xì)腰形或角部重疊的不可采用。其豎向布置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：（1）高寬比要在5-6以下；（2）體形應(yīng)規(guī)則，避免過(guò)分內(nèi)凹或外凸。對(duì)于無(wú)法避免的特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用大震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)易損部位（薄弱層）的塑性變形驗(yàn)算。

3 選擇合適的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)原則是“小震（烈度約為5.45度）不壞、中震（烈度為7度）可修、大震（烈度為8度）不倒”，這就要求建筑結(jié)構(gòu)必須要具備一定的承載力、剛度和延性。在我國(guó)，高層建筑的結(jié)構(gòu)體系普遍采用框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)三種。其中，框架結(jié)構(gòu)適用于一般高度的高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)適用于高層住宅；框架剪力墻結(jié)構(gòu)則適用于辦公樓及綜合樓。

值得一提的是，通常人們都將“剪力墻”稱(chēng)為“防震墻”，這是由于剪力墻結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件采用的是鋼筋混凝土墻板，而非框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，它對(duì)于控制因地震引起的水平剪力具有較好的作用。該體系的強(qiáng)度和剛度都比較高，延性也不錯(cuò)，傳力均勻直接，對(duì)提高建筑的抗震性和安全性都有較大幫助，且從日常居住的角度來(lái)看，也是比較舒適的，比較適合高層住宅使用。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)于承受地震引起的水平剪力時(shí)，通過(guò)具有足夠強(qiáng)度的樓板和連梁組成協(xié)同合作的結(jié)構(gòu)體系，能夠起到較好的抗震效果。在這里，剪力墻的高寬比要大于2，以使其在承受水平剪力時(shí)呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻體的底部；連梁的塑性屈服盡量產(chǎn)生在梁端，且具備足夠的變形能力，保證在墻段發(fā)揮抗震性能前的有效性。

4 設(shè)置多道抗震防線(xiàn)

一個(gè)好的抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)由兩個(gè)及兩個(gè)以上且延性較好的分體系組成，這是因?yàn)榈卣鸢l(fā)生時(shí)，普遍帶有余震，若只有一道防線(xiàn)，難以避免因某一結(jié)構(gòu)損傷而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)坍塌。因此，在構(gòu)建抗震結(jié)構(gòu)體系時(shí)，首先要有最大可能數(shù)量的內(nèi)外部冗余度，其次要建立一套分布完整的屈服體系，最后該體系的主要耗能構(gòu)件必須要有足夠的剛度和較高的延性，以保證建筑物在遭受地震災(zāi)害時(shí)，第一道防線(xiàn)因強(qiáng)烈的地震作用而崩潰的情況下，第二道、第三道防線(xiàn)能夠有效地抵擋住后續(xù)地震波的沖擊。

5 使用隔震和消能減震設(shè)計(jì)

在隔震和消能減震設(shè)計(jì)方面，除了前面提過(guò)的選擇密實(shí)度高的地基外，還可采取以下幾點(diǎn)措施。首先，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的選擇上，要選擇延性好的，以消耗地震能量，保證建筑物在地震作用下不倒塌；其次還可根據(jù)建筑的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)母粽鹣禂?shù)，在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔震裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，從而達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，主要的基礎(chǔ)隔震類(lèi)型有疊層橡膠支座隔震、摩擦滑移隔震、滾動(dòng)隔震、支承式擺動(dòng)隔震、混合隔震等；此外，還可在結(jié)構(gòu)的某些部位附加消能裝置或子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件作構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性。目前常用的消能減震裝置有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、鉛擠壓阻尼器、黏彈性阻尼器、黏性液體阻尼器等。

6 加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”是我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中始終要遵循的原則之一，這就要求我們要加強(qiáng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：（1）有目的性地控制薄弱部位，確保其在地震作用中，既有足夠的變形能力，又不發(fā)生位移；（2）要對(duì)構(gòu)件的實(shí)際承載力進(jìn)行分析，以此判斷薄弱層的基礎(chǔ)是否滿(mǎn)足抗震要求；（3）確保薄弱部位的實(shí)際承載力與設(shè)計(jì)彈性受力比保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)；（4）注意協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力，避免局部過(guò)強(qiáng)。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著地震事件的不斷發(fā)生及我國(guó)高層建筑的快速發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能越來(lái)越為人們所重視和關(guān)注。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要選擇合適的地基，選用外形規(guī)則、對(duì)稱(chēng)、不偏心的設(shè)計(jì)方案；除此之外，還要根據(jù)建筑需要，選擇適合的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)置多道抗震防線(xiàn)、采用隔震和消能減震設(shè)計(jì)、并加強(qiáng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。通過(guò)以上六個(gè)方法，確保高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目標(biāo)，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010.

[2] 王亞勇，戴國(guó)瑩著.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范疑問(wèn)解答[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[3] 李國(guó)勝.高層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)、難點(diǎn)及實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[4] 姜忻良.高層建筑結(jié)構(gòu)與抗震[M].天津：天津大學(xué)出版社，2004.

[5] 傅光耀.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.