高層建筑結(jié)構(gòu)分析與抗震設(shè)計探究

張慶博

沈陽都市建筑設(shè)計有限公司 遼寧 沈陽 110000

引言

建筑行業(yè)快速發(fā)展，為適應(yīng)多樣化的建筑功能需求，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜多樣。除傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等基本形式外，超高層建筑、復(fù)雜高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)高層建筑、型鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)高層建筑得到越來越廣泛的應(yīng)用。建筑高度的增加和布置的不規(guī)則性給結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計帶來更多復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，有必要進行更系統(tǒng)深入的研究。

1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理

進行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的在于，在地震災(zāi)害出現(xiàn)時，能夠降低災(zāi)害帶來的經(jīng)濟損失。從目前的應(yīng)用情況來看，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計并不滿足抗震要求，并且結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，降低了結(jié)構(gòu)的耗能能力。另外，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱構(gòu)件進行加強，并對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計。

1.2 抗震設(shè)防分類的判別

我國建筑抗震設(shè)防分類別為特殊設(shè)防類、重點設(shè)防類、標準設(shè)防類、適度設(shè)防類四個，而實際項目中的大部分建筑都屬于標準設(shè)防類，規(guī)范中的定義也是大量的除其他三類以外的建筑，這類建筑我們不在過多關(guān)注。而特殊設(shè)防類、適度設(shè)防類我們在工程設(shè)計時又極少接觸到，所以在此主要分析工程設(shè)計時經(jīng)常遇到的一些重點設(shè)防類建筑。第一，教育建筑中的幼兒園、小學、中學的教學樓、宿舍、食堂，醫(yī)療建筑中的二、三級醫(yī)院均為重點設(shè)防類。關(guān)于學校建筑、醫(yī)療建筑，有些地區(qū)又有地方的特殊規(guī)定，我們在進行抗震設(shè)計時尤其要注意。第二，商業(yè)建筑中人流密集的大型的多層商場抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點設(shè)防類。如何判別是人流密集，條文解釋為指一個區(qū)段人流5000人，換算的建筑面積約17000m2或營業(yè)面積7000m2以上的商業(yè)建筑。一個區(qū)段，指的是同一建筑功能的相關(guān)范圍，與建筑功能分區(qū)及不同區(qū)段出口有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)是否分縫無直接的關(guān)系[1]。

2 加強建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計

2.1 依據(jù)抗震標準，規(guī)范平面及豎向設(shè)計

平面規(guī)則與建筑物的穩(wěn)定性也存在一定的聯(lián)系，這是設(shè)計人員在設(shè)計過程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標準的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長度不宜過長，不宜采用角部重疊或細腰形的平面布置。因此，結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡單、規(guī)則、對稱，避免剛度、質(zhì)量和承載力分布不均勻。對于有較多凹凸口的復(fù)雜形狀平面要進行特殊設(shè)計或采用一定的補救措施，以最大限度地保證建筑的穩(wěn)定性。對于抗震高層建筑的結(jié)構(gòu)豎向布置，應(yīng)避免過大的外挑和收進，宜規(guī)則、均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度也應(yīng)該做到上小下大均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。

2.2 傳統(tǒng)抗震設(shè)計

傳統(tǒng)抗震設(shè)計注重提高建筑的抗震承載力。目前我國抗震設(shè)計一般通過“二階段”設(shè)計方法實現(xiàn)“三水準”設(shè)防目標?！叭疁省奔础靶≌鸩粔摹⒅姓鹂尚?、大震不倒”，“二階段”即小震作用下彈性計算和大震作用下彈塑性驗算。通過地震作用計算可實現(xiàn)小震和大震水準下的設(shè)防要求，中震設(shè)防要求通過抗震機構(gòu)控制和抗震構(gòu)造措施實現(xiàn)。在進行高層建筑抗震設(shè)計時，除根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法及必要的補充時程分析地震作用計算外，還應(yīng)注意強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件等內(nèi)力調(diào)整措施和抗震構(gòu)造措施的實現(xiàn)，確保建筑在較大地震力作用下能夠按照設(shè)計意圖實現(xiàn)抗震耗能和關(guān)鍵構(gòu)件的安全[2]。

2.3 合理確定抗震水準框架

設(shè)計人員應(yīng)當首先確定框架的使用需要，通常來說國外水工建筑物的抗震水準框架是根據(jù)美國標準中的地震動參數(shù)概念，最大設(shè)計地震（MDE）和基準地震（OBE）的兩個參數(shù)，以及水工建筑物的地震要求來進行設(shè)計。大量國內(nèi)外水工建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計實踐表明，重復(fù)周期為100-200a的OBE通常在設(shè)計中無法發(fā)揮良好控制作用。因此，設(shè)計人員在合理確定抗震水準框架時，應(yīng)當明確防震性能定位，以使水工建筑能夠在遭遇到局部地震破壞后可以進行修復(fù)。而對于需要抗震保護的大型水工建筑物，設(shè)計人員必須進行特殊的地震安全框架設(shè)計，這一設(shè)計需保證水工建筑物在遭受極端地震破壞時，能夠保證該水工建筑物避免遭受毀滅性破壞，從而保證人類財產(chǎn)與生命的安全，降低二次災(zāi)害出現(xiàn)的可能性，這就需要設(shè)計人員進行大量模擬實驗，以確保該抗震標準的絕對安全性。

2.4 針對剪力墻的加強措施

為增強剪力墻的受力性能，改善剪力墻的延性，采取如下措施：①嚴格控制加強區(qū)墻體在重力荷載代表值下的軸壓比在0.6以下，對樓板洞口周邊的剪力墻適當加厚。②在較長墻肢中設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口，以減小單片墻肢的長度和剛度。③底部加強區(qū)域內(nèi)，提高角部墻體的約束邊緣構(gòu)件配筋率，提高加強區(qū)墻體的承載力和延性。④嚴格控制剪力墻截面的剪應(yīng)力水平，適當提高底部加強區(qū)剪力墻水平鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載力。⑤底部樓板洞口周邊剪力墻加強平面外墻肢約束，以提高其墻體穩(wěn)定能力。⑥在不影響建筑功能的情況下，剪力墻設(shè)置邊框柱，并安規(guī)范要求設(shè)置暗梁[3]。

3 結(jié)束語

基于地震屬于不可抗力的自然災(zāi)害，同時具備了很強的不可預(yù)估性，一旦有地震災(zāi)害產(chǎn)生，將會對建筑以及民眾的個人安全、財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的影響。因此，為了可以有效降低地震的影響程度，結(jié)構(gòu)工程師在建筑抗震設(shè)計時，要注意多學習多思考多總結(jié)，從結(jié)構(gòu)概念到結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置都有清晰的理解，如此才可以將建筑的抗震設(shè)計落實到實際工程項目中，并以此來確保設(shè)計質(zhì)量得到提升，增強建設(shè)物的抗震能力，防止因為地震而造成的嚴重后果。