高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)重點(diǎn)分析

陳超群?王冠通

摘要：地震對高層建筑的影響較大，科學(xué)性、規(guī)范性的抗震設(shè)計(jì)，能夠確保居住公民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，也能夠降低危險(xiǎn)事故的發(fā)生率。所以，在高層建筑實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)提高對抗震設(shè)計(jì)的重要性，設(shè)計(jì)人員要掌握基本原則和要求，根據(jù)工程實(shí)際情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及流程，從根本上提高抗震設(shè)計(jì)的有效性，確保高層建筑的質(zhì)量安全。

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

1 抗震設(shè)計(jì)原則

為了使高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更具科學(xué)性，獲取應(yīng)用價(jià)值良好的設(shè)計(jì)方案，則需要了解相關(guān)的設(shè)計(jì)原則。具體包括：（1）輕度地震不能發(fā)生損壞;（2）中度地震損壞能夠修復(fù);（3）重度地震建筑物不能坍塌。實(shí)踐中通過對這些不同設(shè)計(jì)原則要求的充分考慮，可使高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量更加可靠，滿足建筑物安全使用要求，避免其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、應(yīng)用價(jià)值等受到不利影響。

2 高層建筑的抗震設(shè)計(jì)分析

2.1 建筑場地及地基的選擇

建筑物的場地選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程需要，對實(shí)際的工程地質(zhì)條件和地震活動(dòng)的具體情況進(jìn)行掌握，同時(shí)了解地震地質(zhì)的有關(guān)資料，分別對抗震的有利地段，不利地段以及危險(xiǎn)地段進(jìn)行綜合性的評價(jià)，對于不利地段，例如，地質(zhì)較為松軟或者是具有軟弱下臥層的地質(zhì)應(yīng)該盡量避讓，在無法避讓時(shí)應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)單位采取有效措施，例如，進(jìn)行砂石換填和采用樁基礎(chǔ)等^[1]。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)適于采用簡單規(guī)則的平面布置方式，建筑平面的規(guī)則性可以保證建筑本身的承載力與剛度分布較為均勻。建筑平面適宜于采用矩形以及方形等平面形式，由于這類建筑平面形狀較為規(guī)整，所以在地震發(fā)生時(shí)可以保持建筑整體協(xié)調(diào)一致，使得結(jié)構(gòu)的抗震處理相對安全簡單。建筑平面布置不規(guī)則時(shí)，例如，出現(xiàn)L形或者是部分凸出凹進(jìn)等形狀時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)質(zhì)剛不同心，出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角應(yīng)力過于集中，其中結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度較小的構(gòu)件會(huì)因此承擔(dān)更多的水平地震力，容易造成構(gòu)件破壞，最終造成整體結(jié)構(gòu)因一側(cè)失效從而產(chǎn)生倒塌現(xiàn)象。此外為了避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度以及承載力發(fā)生突變，應(yīng)該將抗側(cè)力構(gòu)件的材料強(qiáng)度以及截面尺寸從下到上逐漸減小，對于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時(shí)應(yīng)將其薄弱層的地震剪力增大1.15倍，同時(shí)按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析。

2.3 減輕房屋自重

在高層建筑當(dāng)中建筑的地上部分其樓蓋自重約占40%左右，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，減小結(jié)構(gòu)層間水平應(yīng)力值，避免豎向構(gòu)件承擔(dān)更多的水平地震力剪力和彎矩，應(yīng)該采取措施適當(dāng)減小樓蓋自重，例如采用密肋樓板或者預(yù)制多孔板等結(jié)構(gòu)形式。對于剪力墻結(jié)構(gòu)或者框架剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑而言，內(nèi)部包含有較多鋼筋混凝土墻體，為了適當(dāng)減輕墻體所造成的自重增加，在結(jié)構(gòu)計(jì)算允許的范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減薄墻體尺寸，同時(shí)對于其中自承重墻體可以選擇使用加氣混凝土砌塊或者是輕骨料混凝土等材料設(shè)置輕型隔墻，這同時(shí)也是減輕房屋自重的有效措施。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)重點(diǎn)

3.1 合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系

在加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化抗震性能的過程中，應(yīng)注重建筑結(jié)構(gòu)體系的合理選擇。（1）根據(jù)高層建筑的自身情況及所在區(qū)域的地質(zhì)狀況、氣候特點(diǎn)等，設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐中應(yīng)重視對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等不同結(jié)構(gòu)體系的選擇及使用，落實(shí)好相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，并通過對地震沖擊力破壞影響的思考，注重對多道防線結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)置，促使高層建筑可處于安全應(yīng)用狀態(tài)，為其抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)及性能可靠性增強(qiáng)等提供專業(yè)保障;（2）基于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)研究，通過對多道防線結(jié)構(gòu)體系設(shè)置及應(yīng)用方面的綜合考慮，有利于增強(qiáng)相應(yīng)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用效果，逐漸提高建筑物結(jié)構(gòu)方面的安全性能^[2]。

3.2 注重對施工場地的科學(xué)處理

高層建筑建設(shè)中的施工場地處理是否有效，與其結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平能否提升、性能是否可靠等密切相關(guān)。因此，在實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)的過程中，應(yīng)對其施工場地科學(xué)處理進(jìn)行充分考慮。（1）了解施工場地的具體情況，落實(shí)與之相關(guān)的處理工作，并根據(jù)高層建筑選址要求，為其地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高提供參考信息，確保高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有效性，全面提高其應(yīng)用質(zhì)量;（2）當(dāng)施工場地處理工作完成后，可為高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供更多的參考信息，滿足其設(shè)計(jì)工作高效開展要求，優(yōu)化高層建筑使用功能，避免引發(fā)其結(jié)構(gòu)應(yīng)用問題。

3.3 隔震消能減震設(shè)計(jì)

隔震系統(tǒng)具有足夠的豎向強(qiáng)度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量，并且具有足夠的水平初始剛度，應(yīng)用過程中可滿足高層建筑結(jié)構(gòu)安全性能優(yōu)化要求，實(shí)現(xiàn)其抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體表現(xiàn)為：（1）隔震系統(tǒng)自身具有較大的阻尼，地震時(shí)可耗散較多的能量，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用安全性。因此，高層建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)在了解隔震系統(tǒng)功能特性的基礎(chǔ)上，積極開展這類建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)工作，降低高層建筑主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減少其破壞影響;（2）基于高層建筑的隔震消耗減震設(shè)計(jì)，應(yīng)加強(qiáng)信息技術(shù)使用，實(shí)現(xiàn)對豐富信息資源的整合利用，促使建筑隔震消耗減震設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期效果，為其設(shè)計(jì)方案應(yīng)用質(zhì)量提高提供技術(shù)保障。

3.4 結(jié)構(gòu)剛度的合理布置

對于鋼框架核心筒結(jié)構(gòu)，變形控制主要要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)，但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值;此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層和加強(qiáng)層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要注意地震作用下的一些影響因素與阻礙，其中位移是非常重要的一點(diǎn)，需要隨時(shí)面對界面應(yīng)變，來匹配框架支撐結(jié)構(gòu)框架水平。在框架中若能保證強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，且梁具有良好延性，則柱子進(jìn)入屈服的可能就大大減少，此時(shí)可放松軸壓比限值。確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2的柱才是短柱。另外，還可以運(yùn)用其他方法對抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)多段墻框架、利用高延展性結(jié)構(gòu)等方法，來進(jìn)行消震或隔離，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。其中高延展性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠?qū)⑵溥\(yùn)用在承受地震時(shí)，更好地使用阻尼器轉(zhuǎn)接并吸收地震能量，從而提高建筑的穩(wěn)固性。其次，還要在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遵循強(qiáng)柱弱梁的原則，將框架在地震中所承受的力進(jìn)行分布，這樣就會(huì)降低高層建筑倒塌的幾率。^[3]其中建筑結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件和非構(gòu)件，其內(nèi)力設(shè)計(jì)值，以及抗震作用都要進(jìn)行規(guī)范設(shè)定，以確保輔助框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和抗震性。

5 結(jié)語

高層建筑在設(shè)計(jì)中，從基礎(chǔ)選型開始到上部結(jié)構(gòu)的布置，再到細(xì)部構(gòu)件的選擇均需要非常嚴(yán)格，這樣才能夠保證建筑本身具有非常良好的抗震性能。與此同時(shí)，還要與一些先進(jìn)的結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)理念和方式進(jìn)行結(jié)合，這樣不僅可以保證抗震設(shè)計(jì)方案在制訂和具體應(yīng)用過程中具有科學(xué)性和合理性，而且還可以提高高層建筑本身結(jié)構(gòu)的抗震性和經(jīng)濟(jì)性，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供有效保障。

參考文獻(xiàn)：

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