高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬 旭 蒙武楠 李文碩/華北理工大學(xué)

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬 旭 蒙武楠 李文碩/華北理工大學(xué)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在我們的生活之中。由于我國(guó)有許多地區(qū)都處于地震頻發(fā)地帶，所以高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)方面的問題變得尤為突出。本文針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題及所采取的具體措施進(jìn)行闡述，以期能夠?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)能夠在地震發(fā)生時(shí)減少損失做出貢獻(xiàn)。

高層；建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

一、高層建筑物在抗震設(shè)計(jì)中存在的問題

（一）高度規(guī)范問題

高層建筑結(jié)構(gòu)在目前的工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，在許多引起結(jié)構(gòu)破壞的影響因素中，地震荷載是主要原因之一，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是經(jīng)過長(zhǎng)期結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的設(shè)計(jì)思想。在高度規(guī)范上，雖然我國(guó)制定了相關(guān)的法律法規(guī)以保證高層建筑能夠達(dá)到‘小震不壞，中震可修，大震不倒’的級(jí)別，但是從現(xiàn)階段實(shí)際執(zhí)行情況來看，許多地區(qū)為了追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，使得高層建筑的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了科學(xué)合理的范圍，導(dǎo)致在遭遇地震時(shí)，這些違規(guī)高層建筑往往不能有效抵抗地震威脅。

（二）抗震材料問題

高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)材料的選擇是非常重要的，必須要測(cè)量材料的抗震能力，要做到綜合考慮材料參數(shù)的變化、地震烈度以及認(rèn)識(shí)材料的模糊性等等。在發(fā)達(dá)國(guó)家，地震多發(fā)地帶的高層建筑多采用鋼架結(jié)構(gòu)，以期提高建筑的穩(wěn)定性和安全性。但是我國(guó)很多地震區(qū)域的高層建筑仍然采用鋼筋混凝土的普通結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的抗震性能遠(yuǎn)不及鋼結(jié)構(gòu)，所以在我國(guó)的地震多發(fā)地域應(yīng)推廣使用鋼結(jié)構(gòu)材料。

（三）施工位置問題

高層建筑物所處的位置的抗震性是建筑物抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，因此，在對(duì)建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)所在場(chǎng)地的抗震性和有助于抗震設(shè)計(jì)的場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)。高層建筑要注意選取土質(zhì)比較厚實(shí)的場(chǎng)地來建造，這個(gè)能夠很好的避免地震能量的輸入，從而可以減輕建筑物的破壞程度。

二、高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

（一）良好的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意使結(jié)構(gòu)平面布置滿足均勻、對(duì)稱、規(guī)整等原則。高層混凝土建筑物各樓層在地震作用下會(huì)導(dǎo)致側(cè)移，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)、平移、剪切變形以及彎曲變形，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)要采取不同的方法來減小結(jié)構(gòu)的變形。應(yīng)該采取如下的方法來減小結(jié)構(gòu)側(cè)移，采取彎雙重抗側(cè)力體系，減小框架的梁距與柱距，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)要盡量采取立體結(jié)構(gòu)；通過傾斜里面和扭轉(zhuǎn)體型，采取圍護(hù)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)建筑物的抗震力；在抗震設(shè)計(jì)過程中，要有意識(shí)地控制薄厚層，這種設(shè)計(jì)既能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，又避免讓薄弱層發(fā)生變形，大大地提高了高層混凝土建筑物整體的抗震性能。同時(shí)，要通過定量的分析和計(jì)算對(duì)關(guān)系到體系整體性能的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。高層建筑結(jié)構(gòu)形式有許多種選擇，例如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等。由于對(duì)結(jié)構(gòu)的要求有很多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的選型十分復(fù)雜，所以需要對(duì)各方面的因素進(jìn)行確定，并且要將結(jié)構(gòu)、建筑、經(jīng)濟(jì)上各方面的協(xié)調(diào)平衡，才能對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化處理。

（二）加固設(shè)計(jì)

在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要構(gòu)件要滿足所必需的延性要求，在樓層較高時(shí)，通過調(diào)節(jié)軸壓比以增強(qiáng)建筑物的延性，但軸壓比又不宜過小，否則會(huì)造成結(jié)構(gòu)短柱，以免限制延申性。同時(shí)其延性也會(huì)受到影響，在高強(qiáng)度的地震作用下，造成建筑物的坍塌，因而應(yīng)對(duì)高層建筑物進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。首先，在地震的加固設(shè)計(jì)中宜選用螺旋復(fù)合箍筋，使用螺旋復(fù)合箍筋可使柱的抗剪能力和短柱的抗震性能得到有效提高。由于地震時(shí)建筑的短柱沒有發(fā)揮抗彎性能時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)顯著的剪性破壞，因?yàn)榻ㄖ亩讨邆涞目辜粜阅芰Φ陀诳箯澞芰?，所以設(shè)計(jì)過程中要保障短柱承受抗彎的屈服強(qiáng)度。在強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)柱弱梁時(shí)，短柱不會(huì)破壞剪切性，繼而提高了短柱的抗震性能。強(qiáng)剪弱彎和剪壓比對(duì)應(yīng)著框架柱的抗剪力，并且柱子頂端的抗彎力要在強(qiáng)柱弱梁值的界限內(nèi)，這樣就可以在強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)剪弱彎的情況下，短柱也不會(huì)破壞其剪切性，加強(qiáng)建筑物的抗震能力。由于短柱自身的抗剪性比較弱，在地震時(shí)短柱先發(fā)生剪切破壞，其抗彎能力沒有發(fā)揮作用，在設(shè)計(jì)過程時(shí)應(yīng)注意減小短柱的抗彎力，以平衡其抗剪能力，在地震來臨時(shí)讓短柱達(dá)到抗彎屈服。為了減弱短柱的抗彎強(qiáng)度，在柱子沿豎向設(shè)縫的情況下，可以將其劃分成多個(gè)分體柱，并利用通縫或分隔板等連接，增強(qiáng)建筑物的抗震性能，以促進(jìn)建筑物的抗震加固設(shè)計(jì)。

（三）建立多層地震防線

高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)性能不是由單一部分組成而是由眾多的延性結(jié)構(gòu)形成的，而且不同的延性結(jié)構(gòu)也不是獨(dú)立地工作，比如框剪結(jié)構(gòu)是由剪力墻和框架分體組合而成的多肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在兩者合作下能在余震發(fā)生時(shí)中發(fā)揮作用，從而增加建筑的抗震性能。而增加抗震防線的意義在于即使一道防線破壞，另一道防線也會(huì)繼續(xù)發(fā)生作用，減輕地震對(duì)建筑物的破壞。通過建立多層地震防線的方式能提高高層建筑抗震的性能，滿足高層對(duì)于房屋安全的要求。當(dāng)高層建筑在遭遇地震時(shí)，如果只有一道地震防線，當(dāng)遇到級(jí)別高的地震時(shí)，就難以阻擋地震的摧毀和破壞，因此，一定要設(shè)置出備用防線，在高層建筑中設(shè)置第二道、第三道防線，以防一道地震防線崩潰后造成建筑物的整體崩塌。高層建筑在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用多段強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，最常見的是抗震剪力墻設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)因其抗震性能好，因此被廣泛的作為抗震墻的第一層防線，發(fā)揮著最為重要的作用。所以，為了保證墻體的抗震能力足以防止地震的損害，有效減輕地震造成的墻體裂痕或者倒塌，就應(yīng)當(dāng)科學(xué)建立防震結(jié)構(gòu)，多層防線形成合力。

（四）減震與隔震

在目前的抗震設(shè)計(jì)和施工中通過加強(qiáng)剛度、韌性與抗地震構(gòu)造，使高層建筑的結(jié)構(gòu)變得很有韌性，使建筑物在塑性狀態(tài)下減弱地震的影響。在地震釋放能量時(shí)，能夠保證建筑物延性結(jié)構(gòu)來進(jìn)行消震與隔震。同理，當(dāng)高層建筑物的承載力比較小時(shí)，高韌性，高延性可以吸收更多地震所釋放的能量，使建筑物不易發(fā)生變形，合理使用韌性的方法可以減少建筑物倒塌的概率，隨著建筑抗震設(shè)計(jì)的進(jìn)步，最近設(shè)計(jì)出來的阻尼器可以更有效地吸收地震能量。

三、結(jié)語

本文介紹了高層建筑抗震設(shè)計(jì)的概念以及所涉及到的問題，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)工作時(shí)，結(jié)合施工場(chǎng)地的實(shí)際情況，并遵守建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)原則。高層建筑在設(shè)計(jì)與施工對(duì)建筑物使用的安全性要求較高，大多數(shù)采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，主要是該結(jié)構(gòu)有良好的抗震效果。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)要注意許多因素，設(shè)計(jì)人員需要考慮建筑結(jié)構(gòu)自身剛度，要考慮施工場(chǎng)地是否存在地震隱患等等。綜上所述，進(jìn)一步加強(qiáng)建高層筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的研究和討論，對(duì)于高層建筑抗震來講意義重大。

[1]丁燦.基于高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究.城市建筑，2015.

[2]劉建飛．我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)的若干問題．黑龍江科技信息，2015．

[3]高振東.高層建筑抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題分析.黑龍江科技信息，2015.

[4]鄭歡.探析高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).企業(yè)技術(shù)開發(fā)（下半月），2015.