基于抗震考慮的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

梁文輝

（國策眾合（北京）建筑工程設(shè)計(jì)有限公司太原分公司 030024）

1 影響高層建筑抗震效果的相關(guān)因素

1.1 擬建場(chǎng)地的選擇

地震作用是由于大地的運(yùn)動(dòng)引起建筑物結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)作用，當(dāng)這種動(dòng)態(tài)作用超過建筑物的水平抗力時(shí)，建筑物就會(huì)遭到破壞。因此，減輕地震破壞的第一道工序就是選擇抗震有利的場(chǎng)地。比如，擬建場(chǎng)地應(yīng)避開活動(dòng)斷裂段，避開容易引發(fā)滑坡和崩塌的地段。另外，對(duì)于極易引發(fā)水災(zāi)和海嘯等次生災(zāi)害的不利地段也應(yīng)避開。

1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)使用的原材料和施工工序

高層建筑的抗震效果與建造過程中使用的原材料有著直接的影響，一般來說，所采用原材料的質(zhì)量越好、性能越好，地震作用力對(duì)建筑物的破壞和影響就越?。环粗?，在遭受同等地震作用力時(shí)，采用質(zhì)量較差、性能較差原材料的建筑物極易遭到破壞?；诳拐鹂紤]的高層建筑在施工中盡量選擇空心磚，塑料板材以及加氣混凝土板等質(zhì)量較輕的材料，這些材料對(duì)提高建筑物抗震性能非常有利。

高層建筑的抗震效果與施工過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)、每道工序也是息息相關(guān)的，因此我們?cè)谑┕がF(xiàn)場(chǎng)應(yīng)高度重視施工中各個(gè)工序的管理工作，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范科學(xué)合理地安排每一個(gè)施工環(huán)節(jié)，確保建筑的工程質(zhì)量滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。

1.3 高層建筑自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們把高層建筑可以看作是固定在地面上的一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，它一方面受垂直荷載作用，另一方面受水平荷載作用。其中，垂直荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸力，其大小與建筑物高度基本呈線性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩，其大小與建筑物高度基本呈二次方變化。一般情況下，對(duì)地震作用效應(yīng)影響較大的是水平荷載，高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要保證建筑物的結(jié)構(gòu)要有較大剛度。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要矛盾就是抗水平力，我們應(yīng)根據(jù)抗震等級(jí)和水平荷載的分布設(shè)計(jì)采用不同的結(jié)構(gòu)體系。

高層建筑一般采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其二者各有其特點(diǎn)。其中：鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性能好、強(qiáng)度高、延性好以及施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是造價(jià)要比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。當(dāng)場(chǎng)地地基土的特征周期較長(zhǎng)時(shí)，地震時(shí)極易引發(fā)共振，造成更大的破壞；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有剛度大、造價(jià)低、整體性好、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重大、抵抗塑性變形的能力相對(duì)較差。因此，鋼結(jié)構(gòu)一般用于柔性結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般用于控制塑性變形的剛性結(jié)構(gòu)。

2 基于抗震性能的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

基于抗震性能的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析主要包括：結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算、抗撞墻和防震縫的設(shè)計(jì)、各種建筑結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制的設(shè)計(jì)等，下面我們著重從這三方面進(jìn)行詳細(xì)的分析評(píng)價(jià)：

2.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

基于抗震性能的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算要滿足如下要求：

（1）在進(jìn)行彈性和非線性的分析計(jì)算中，要合理正確地選擇結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型，以及構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的計(jì)算參數(shù)。

（2）在對(duì)具有水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)不落地柱和墻體的轉(zhuǎn)換梁以及框支梁的相鄰層計(jì)算層數(shù)和層高要注意區(qū)分清楚，要正確劃分轉(zhuǎn)換厚板有限元的類型。

（3）對(duì)剪力墻抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，要正確選擇非線性分析中的計(jì)算模型和各種計(jì)算參數(shù)；對(duì)采用滑動(dòng)支座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，采用的計(jì)算模型應(yīng)考慮支座兩側(cè)結(jié)構(gòu)的相互作用和影響；對(duì)平面尺寸凹凸不規(guī)則，以及平面內(nèi)局部開設(shè)大洞口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)開設(shè)洞口大小、數(shù)量和分布位置以及抗側(cè)力構(gòu)件的布置形式等合理建立計(jì)算模型。

（4）要正確合理選擇分片剛性樓蓋和整體非剛性樓蓋的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算模型，比如樓板在大震下不能處于基本彈性狀態(tài)時(shí)，要先研究出合理的計(jì)算模型后再進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

（5）對(duì)于采用了消能減震措施的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要合理選擇構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，另外要注意節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的計(jì)算參數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響。

（6）對(duì)于結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，難以準(zhǔn)確反映各構(gòu)件受力狀態(tài)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)采用各種不同的力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，然后予以分析對(duì)比；另外，有時(shí)還需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的模型試驗(yàn)來確定計(jì)算的可信程度。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防震縫與抗撞墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 防震縫的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

防震縫的寬度既不能太大，也不能太小。如果防震縫的寬度太小，在強(qiáng)烈地震下相鄰結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生局部碰撞而損壞；如果防震縫寬度過大，就會(huì)給建筑物的立面處理帶來困難。因此，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)抗震縫的最小設(shè)計(jì)寬度給予了相關(guān)規(guī)定。防震縫可以結(jié)合沉降縫貫通到地基，無沉降問題時(shí)也可從地下室頂?shù)轿蓓斬炌?，無需貫通至地基。

2.2.2 抗撞墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在Ⅷ度和Ⅸ度區(qū)，框架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)層高相差較大時(shí)，應(yīng)在防震縫兩側(cè)房屋的盡頭沿全高設(shè)置垂直于防震縫的抗撞墻。一般來講，每側(cè)的抗撞墻的數(shù)量不少于兩道，且應(yīng)對(duì)稱布置?？棺矇Φ拈L(zhǎng)度不應(yīng)大于層高的一半，以避免產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.3 結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制條件下的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為充分發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)整體的抗震能力，在結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制下較合理變形模式為：保證框架節(jié)點(diǎn)基本不遭到破壞，而梁的屈服要比柱的屈服早發(fā)生和多發(fā)生；在同一樓層中，要保證各柱兩端的屈服歷程越長(zhǎng)越好，底層柱底塑性鉸要最晚發(fā)生變形，且梁端和柱端的塑性鉸發(fā)生變形不宜集中。

2.3.2 框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中梁的寬度不應(yīng)大于墻的厚度，否則在強(qiáng)震的作用下就會(huì)發(fā)生剪切破壞。連梁要保證有足夠的變形能力，梁端發(fā)生塑性屈服變形，保證墻段在充分發(fā)揮抗震作用前時(shí)不失效。

2.3.3 板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

板柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行沖切承載力的抗震驗(yàn)算，且應(yīng)計(jì)入不平衡彎矩引起的沖切。為了防止強(qiáng)震作用下樓板脫落，穿過柱截面的板底兩個(gè)方向的鋼筋的受拉承載力應(yīng)滿足該層樓板重力荷載代表值作用下的柱軸力設(shè)計(jì)值，一般來講，抗剪栓釘?shù)目箾_切效果優(yōu)于抗沖切鋼筋。

2.3.4 框架-核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

框架-核心筒結(jié)構(gòu)的核心筒與周邊框架之間采用梁板結(jié)構(gòu)時(shí)，各層梁對(duì)核心筒有一定的約束，可不設(shè)加強(qiáng)層，梁與核心筒連接應(yīng)避開核心筒的連梁。當(dāng)樓層采用平板結(jié)構(gòu)且核心筒較柔時(shí)，在地震作用下不能滿足變形要求，或筒體由于受彎產(chǎn)生拉力時(shí)，宜設(shè)置加強(qiáng)層，其部位應(yīng)結(jié)合建筑物功能設(shè)置。為了避免加強(qiáng)層周邊框架柱在地震作用下由于強(qiáng)梁帶來的不利影響，加強(qiáng)層的大梁或桁架與周邊框架不宜剛性連接。

3 結(jié)語

近年來，我國高層建筑抗震設(shè)計(jì)實(shí)例中也廣泛應(yīng)用基于性能考慮的抗震設(shè)計(jì)方法，且目前已取得了顯著的成績(jī)，這對(duì)提高我國高層建筑的抗震設(shè)計(jì)的可靠性有很大的推動(dòng)。隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，大量研究工作的不斷深入和工程實(shí)例的不斷應(yīng)用，基于性能考慮的抗震設(shè)計(jì)方法也會(huì)變得日趨完善，我國高層建筑的抗震能力又會(huì)上到一個(gè)新的臺(tái)階。