高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點探析

方正娟

摘要：在高層建筑中，結(jié)構(gòu)和性能要求比一般建筑要高，必須對高層建筑的抗震設(shè)計進行重點考慮，本文即對于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要點進行了分析。

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

中圖分類號：TU973.31 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）11—177—02

前言

高層建筑是當(dāng)前建筑行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，高層建筑物的抗震設(shè)計是一項十分重要的課題，必須要做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

1高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題

1.1抗震設(shè)計準備不充分

高層建筑抗震設(shè)計準備不充分主要體現(xiàn)在對施工環(huán)境所處的區(qū)域的地質(zhì)條件的調(diào)查不充分.設(shè)計人員沒有充分了解該地區(qū)的地質(zhì)條件，沒有對某些特殊地區(qū)進行規(guī)避，也沒有對該地區(qū)的地震特點做出特殊設(shè)計。另外，受到市場條件和自身能力的限制，一些建設(shè)單位違規(guī)的裁剪現(xiàn)場施工人員、壓縮工期來提高效益。

1.2受力體系設(shè)計難控制

受到高層建筑與眾不同的受力體系決定了高層建筑的受力點更加難以控制，因此，在對高層建筑進行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要充分考慮建筑本身的受力結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免抗震結(jié)構(gòu)破壞原本的承力結(jié)構(gòu)。如果一個高層建筑的受力結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，會導(dǎo)致建筑承力不均衡，容易破壞建筑的穩(wěn)定性，降低抗震能力。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震矛盾

人們在建筑的外觀上投注了更多的精力，這導(dǎo)致了最近十幾年來建筑的許多突破傳統(tǒng)的外形。這些創(chuàng)新外形的高層建筑大多都具有不規(guī)則的線條，導(dǎo)致這些建筑的受力結(jié)構(gòu)不像普通高層建筑一樣垂直，在設(shè)計時需要更多的考慮承力設(shè)計的問題。我國有許多建筑設(shè)計人員在這些不規(guī)則外形的高層建筑設(shè)計中存在著不同意見，沒有較高的水平來完成這些高難度的設(shè)計工作，導(dǎo)致設(shè)計的不規(guī)則高層建筑容易出現(xiàn)設(shè)計與實際不符等問題。許多高層建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)消除了抗震設(shè)計和施工的均衡點，導(dǎo)致建筑抗震結(jié)構(gòu)無法滿足需求，對高層建筑物的整體安全性帶來了很大的安全隱患。

2高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的內(nèi)容

高層建筑構(gòu)設(shè)計中的抗震需要做好兩個方面，一個是建筑結(jié)構(gòu)的隔震，二是建筑結(jié)構(gòu)的減震。

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計

高超隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是在在高層建筑物下方設(shè)置一種地震時比其他層產(chǎn)生更大水平變形的“隔震層”，使得振動能量不容易傳遞到上方建筑物，從而會讓上層建筑物減小與地基出現(xiàn)共振現(xiàn)象，有集中吸收振動能量的作用。具體構(gòu)件可以分為三個部分。一是鉛制緩沖構(gòu)件，這是一種利用高純度的鉛材料的塑性變形而制成構(gòu)件。二是鋼制緩沖構(gòu)件，這是一種利用鋼料的塑性變形，起著衰減振動的作用而制成的構(gòu)件。三是疊層橡膠，這是一種將厚度數(shù)毫米的橡膠與鋼板兩者交互重疊接合，施加熱與壓力，避免與地基共振，發(fā)揮橡膠特有的彈性，保持了垂直方向堅硬而設(shè)計的做法。

根據(jù)高層對建筑不同位置，建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)又可以分為四種。一是基礎(chǔ)抗震，這種抗震位置在建筑基礎(chǔ)與上層結(jié)構(gòu)部分之間。裝置通常常是夾層橡膠墊隔震、基底滑移隔震和混合隔震。二是地基隔震，這種抗震位置設(shè)置在建筑基礎(chǔ)下的地基當(dāng)里，材料通常用砂、糯米和軟粘土，在發(fā)生地震時有多次吸收、反復(fù)吸收能量波的作用。三是懸掛隔震，顧名思義就是建筑結(jié)構(gòu)進行懸掛設(shè)計和建造的隔震技術(shù)。四是層間隔震，這是一種融合了隔震技術(shù)和抗震技術(shù)安裝的耗能減震裝置可以吸收地震發(fā)生產(chǎn)生的能量，降低建筑結(jié)構(gòu)在地震中反應(yīng)的強烈，該技術(shù)的隔震效果良好，值得推廣。

2.2高層建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計

結(jié)構(gòu)減震目的是有效的控制建筑結(jié)構(gòu)的移位，按照減震方式的不同，高層建筑構(gòu)減震分為三種方式。

（1）消能減震。該技術(shù)是憑借建筑結(jié)構(gòu)附加阻力值的提高達到減弱建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)程度。也就是在結(jié)構(gòu)中某些部位設(shè)置耗能元件，會在結(jié)構(gòu)振動變形時使得滯回變形耗散能量，以至于在地震荷載下，不會破壞建筑結(jié)構(gòu)或破壞程度在允許范圍內(nèi)。能減震裝置的種類是比較多，包括摩擦阻力、器粘滯阻力器和塑性阻力器等裝置。一是摩擦阻力器，該阻力器是利用兩塊固體之間相對滑動產(chǎn)生的摩擦來耗散能量。二是金屬阻力器，該阻力器是利用金屬的非彈性變形耗能，而金屬阻力器具體又分為軟鋼阻力器、鉛陰力器、形狀記憶合金阻力器。三是粘滯阻力器，該陰力器是利用豁稠液體的粘性來耗散振動能量。消能減震技術(shù)具有迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并保護主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭損壞，具有非常的安全性。同時還具有非常大的經(jīng)濟性，消能減震加固方法相比傳統(tǒng)抗震加固方法可以達到節(jié)省10%-60%的造價。

（2）蹺動減震。該技術(shù)有兩種做法一是在建筑結(jié)構(gòu)中對于要承受地震能量較大的柱，以及支撐等結(jié)構(gòu)與建筑下部基礎(chǔ)，采取不緊固設(shè)計方法。二是在建筑上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)采取豎向上的不緊固設(shè)計方法。

（3）機械減震。該技術(shù)是利用建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼支撐與外包鋼管間的不粘結(jié)性，或者是在建筑物的內(nèi)部用鋼支撐與外包鋼服并在鋼管混凝土上涂抹無粘結(jié)漆，以此形成滑移的界面。

3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化

3.1提升抗震設(shè)計人員的水平

設(shè)計人員的抗震設(shè)計水平和對抗震設(shè)計的重視程度在很大程度上決定了建筑的抗震能力。提升建筑抗震能力，首先需要提升抗震設(shè)計水平。設(shè)計人員要積極做出探討，完善目前抗震設(shè)計中的不足之處并交流經(jīng)驗。其次，設(shè)計人員要重視建筑設(shè)計中的抗震設(shè)計，提升建筑的抗擊和承載力，同時要做到抗震系統(tǒng)和建筑其他系統(tǒng)之間的和諧運作。最后，政府相關(guān)部門應(yīng)該為設(shè)計人員的抗震設(shè)計水平的提升提供幫助，例如組織設(shè)計人員的集中學(xué)習(xí)，提高他們的業(yè)務(wù)水平和職業(yè)素養(yǎng)，提升行業(yè)的整體水平。設(shè)計人員應(yīng)該積極提升自己的能力，學(xué)習(xí)和掌握國內(nèi)外的新技術(shù)，進而使其更好地進行抗震設(shè)計工作。

3.2建筑材料的合理選擇運用

高層建筑結(jié)構(gòu)材料的選擇在抗震性能方面有關(guān)鍵性的影響。在地震時，高層建筑物遭受地震的作用力和建筑結(jié)構(gòu)的剛度往往是成正向比例的，也就是建筑物中重量越大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，遭受地震的影響也就會越大。所以在對建筑材料進行選擇時，應(yīng)該選用符合高層建筑抗震要求的工程材半氣一方面在確保安全的基礎(chǔ)前提下，建筑屋面構(gòu)件中用用輕質(zhì)材料來代替厚重的材料，以此減少建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體重量不同材料的結(jié)構(gòu)類型性能是不一樣的，按照抗震性能多采用鋼結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。同時還應(yīng)考慮材料經(jīng)濟性和建筑施工過程中的質(zhì)量管理，在注重安全性的同時，也要注重工程建設(shè)的經(jīng)濟效益。

3.3優(yōu)化高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計首先是地基地質(zhì)的勘察設(shè)計。在復(fù)雜地形下對建筑物平面進行布置時，會存在建筑物的質(zhì)心和鋼心不一樣的現(xiàn)象，使得高層建筑物重心不穩(wěn)的狀況，尤其是在地震發(fā)生中建筑結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)很大的扭曲，造成破壞的加大。所以按照建筑場地地基地質(zhì)特點與受地震破壞作用的強弱做好分類，遵循形狀規(guī)則、豎向均勻和結(jié)構(gòu)對稱的原則，并且根據(jù)建筑場地的實際情況做好抗震措施，保證建筑結(jié)構(gòu)的重心保持穩(wěn)定，如根據(jù)地基地質(zhì)抗震設(shè)防類別、地基液化等級方面，采取地基和上部結(jié)構(gòu)整體性剛度的加強措施，避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頭重腳輕的現(xiàn)象。

3.4地震作用中的水平力控制

在地震的地面運動作用下，高層建筑不僅要求橫墻有足夠的承載力，同時還要求建筑樓蓋必須有能把地震力傳給橫墻的水平剛度，因為水平力會使得高層建筑物發(fā)生傾覆力矩，同時在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件中會發(fā)生巨大的軸力，水平力的彎矩產(chǎn)生往往會隨著建筑物高度的兩次方成正比，側(cè)向位移和高度四次方成正比，這樣我們就發(fā)現(xiàn)，對于高層建筑而言，豎向荷載不受建筑物高度影響，而水平方向上地震作用的數(shù)值大小會隨著建筑物的質(zhì)量剛度等動力特性不同，產(chǎn)生較大幅度的變化。

3.5進行高層建筑的側(cè)移控制

高層建筑中，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移會隨著樓層的增加而增大，側(cè)向位移過大就會使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，如果附加偏心力超過了一定的限度值，就會造成整個結(jié)構(gòu)的倒塌。而在地震荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力同樣會造成建筑物側(cè)移，所以在結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)保證有一定的強度、剛度和穩(wěn)定性。

3.6采取多層次建筑抗震設(shè)計

高層建筑的抗震能力與其分部抗震體系的性能有很大關(guān)系，而考慮到高層建筑的延伸性，高層建筑防震結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以采取多層防震系統(tǒng)的方式。同時，當(dāng)高層建筑的主耗能構(gòu)件具有較高的延伸性和剛?cè)嵝詴r，能夠在地震帶來的時候承受更大的沖擊力，并將力量傳遞擴散出去，減少對構(gòu)件本身的損壞。另外，構(gòu)件之間組成的系統(tǒng)能夠?qū)⒏鱾€構(gòu)件的抗震能力組合成一個整體，要及時對構(gòu)件的性能進行檢測，避免某個構(gòu)件出現(xiàn)屈服降低系統(tǒng)的看診性能。

4結(jié)語

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題直接關(guān)系到其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，高層建筑的抗震設(shè)計一定要遵循其高層的特點，從而使高層建筑的抗震能力得到充分保障。