淺談高層建筑中抗震設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策分析

張亮

摘要：自然災(zāi)害給我國(guó)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是汶川地震給我國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失更是巨大。因此，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行探討具有重大意義。本文主要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出對(duì)策。

關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震設(shè)計(jì);問(wèn)題;對(duì)策

前言

我國(guó)不同城市地區(qū)對(duì)高層的層數(shù)限定不盡相同，由該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度決定。高層一般設(shè)為10層或以上，28m的住宅建筑均為高層建筑（引自JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程）。我國(guó)也是人員大國(guó)，對(duì)土地的需求量非常大，高層有效緩解土地緊張的窘迫狀況，促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展。由于我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，高層的抗震設(shè)計(jì)受到建筑業(yè)界的關(guān)注。

一、高層建筑抗震相關(guān)設(shè)計(jì)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)的原則是小震不壞，中震可修，大震不倒。高層抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)科學(xué)地根據(jù)建筑的高度、高寬比、抗震設(shè)防的類(lèi)別和烈度，結(jié)構(gòu)材料，場(chǎng)地類(lèi)別以及施工技術(shù)條件等等來(lái)綜合考慮其結(jié)構(gòu)體系。高層抗震設(shè)計(jì)具體涉及到以下幾方面：

（1）抗震措施：以概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造、驗(yàn)算三個(gè)方面進(jìn)行，抗震與消震相互結(jié)合探討結(jié)構(gòu)延性與設(shè)計(jì)地震力相互制約，通過(guò)采取有效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行消震，讓高層建筑抗震性能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)良的目的。

（2）確定抗震等級(jí)：建筑設(shè)計(jì)部門(mén)應(yīng)根據(jù)國(guó)家有關(guān)方面的規(guī)定，按照GB50233-2008建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，以房屋高度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、烈度為依據(jù)，采用不同的抗震等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)。一般情況下會(huì)將抗震等級(jí)劃分為一級(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)這四個(gè)級(jí)別。

（3）確定抗震設(shè)防烈度：所謂地震烈度是指國(guó)家主管部門(mén)依據(jù)地質(zhì)地理及史料等，經(jīng)過(guò)科學(xué)地勘察以及驗(yàn)證，對(duì)我國(guó)的主要城市和地區(qū)進(jìn)行抗震設(shè)防（其類(lèi)別分為甲、乙、丙、丁四類(lèi)建筑）和地震分組經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。它是一個(gè)地域概念，一般情況下我國(guó)的大部分地區(qū)房屋的抗震設(shè)防烈度為8度。更具體的劃分情況如下：甲、乙類(lèi)建筑的抗震設(shè)防烈度一般要比當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度高出一度，但是當(dāng)建筑場(chǎng)地為I類(lèi)時(shí)，則與當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度持平即可;丙類(lèi)建筑的抗震設(shè)防烈度一般與當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度要求一致，但是當(dāng)建筑場(chǎng)地為I類(lèi)時(shí)，則按當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度要求低一度采取抗震構(gòu)造的措施（抗震設(shè)防烈度為6度的情況除外）。

總的來(lái)說(shuō)，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)其抗震設(shè)防烈度、房屋高度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型采用相應(yīng)的抗震等級(jí)，并符合相應(yīng)的抗震等級(jí)的構(gòu)造措施的要求。

二、高層建筑抗震中常見(jiàn)的問(wèn)題

（1）建筑物的高度問(wèn)題

根據(jù)我國(guó)有關(guān)高層建筑技術(shù)的規(guī)定，高層建筑在一定的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)防烈度的基礎(chǔ)上必須要有一個(gè)適宜的高度，而且該高度還必須與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、建筑的施工技術(shù)水平以及土建規(guī)范體系相適應(yīng)。但是從當(dāng)前的實(shí)際情況來(lái)看，還是有很多高層建筑超過(guò)了限定的高度。對(duì)于這些超出限定高度的建筑物，我們應(yīng)采取專(zhuān)家論證以及振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)等科學(xué)方法，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度相對(duì)待影響高層建筑的諸多因素在隨著高層建筑高度的增加在不斷發(fā)生著質(zhì)變，超限建筑的安全指標(biāo)、延性要求材料性能等參數(shù)會(huì)超出規(guī)范的使用范圍。

（2）選用的材料和結(jié)構(gòu)體系不合理

建筑材料和結(jié)構(gòu)體系的選取是否合理在地震高發(fā)地區(qū)是一件備受重視的事情。然而，在我國(guó)的地震常發(fā)地區(qū)，選取的建筑材料及結(jié)構(gòu)體系大多是不合理的。在國(guó)內(nèi)，150m以下的建筑采用的結(jié)構(gòu)體系與國(guó)外一樣，主要是筒中筒，框架-支撐，框-筒這三種體系，但是外國(guó)的建筑大多是鋼結(jié)構(gòu)，而我國(guó)則大部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)，而對(duì)于這么高的鋼筋混凝土建筑的抗震設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有較好的經(jīng)驗(yàn)，混合結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土的內(nèi)筒常常要承受七至八成的震層剪力，有時(shí)甚至高達(dá)九成，由于鋼筋混凝土的核心筒結(jié)構(gòu)是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移值為基準(zhǔn)進(jìn)行變形控制，如果該結(jié)構(gòu)彎曲變形的側(cè)移較大，則需采用剛度很小的鋼框架來(lái)協(xié)助減小側(cè)移，但這種方法效果不明顯，還會(huì)加大鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，因而有時(shí)候還須設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，或者是加大混凝土筒的剛度，以形成加強(qiáng)層，幫助達(dá)到規(guī)范側(cè)移限值;另一方面，如果結(jié)構(gòu)體系或者柱距發(fā)生變化了，就必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的較大的剛度會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度的變化，從而突然加大柱構(gòu)件的剪力，造成轉(zhuǎn)換層構(gòu)件之間外框架柱連接處、加強(qiáng)層伸臂之間的強(qiáng)柱弱梁難以保證，所以，對(duì)于加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)模式的選擇必須慎重，并盡可能地降低其剛度，防止造成不利影響。

（3）地基的選擇不合理

對(duì)于建筑物而言，地基的選擇尤為重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系著建筑物的抗震能力。高層建筑因?yàn)槠涮匦?，它的地基?yīng)選擇在較為寬闊的土地上，并且保證土地質(zhì)地堅(jiān)硬，盡量避開(kāi)滑坡、斷層等異形地形，但是開(kāi)發(fā)商和建筑商們只追求經(jīng)濟(jì)利益的最大化，往往選取那些利潤(rùn)空間大的土地來(lái)進(jìn)行施工，而不會(huì)考慮這些土地是否適合建設(shè)高層建筑，對(duì)地基的選擇不甚合理。

三、高層抗震設(shè)計(jì)的對(duì)策

（1）分析抗震可靠度

以前，設(shè)計(jì)人員只是單純從建筑負(fù)荷問(wèn)題出發(fā)來(lái)分析和研究其抗震可靠性，而并沒(méi)有從整體上分析材料的參數(shù)變化，地震烈度的隨機(jī)性及模糊性對(duì)建筑物抗震可靠度的影響來(lái)進(jìn)行綜合考慮因此，我們應(yīng)當(dāng)將材料的參數(shù)變化，地震烈度的隨機(jī)性地震烈度的模糊性作為進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

（2）以位移結(jié)構(gòu)為依據(jù)進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)

我國(guó)建筑物的抗震結(jié)構(gòu)一般情況下是以承載力作為基礎(chǔ)的，因此，我們應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)的配筋與變形的關(guān)系有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)變形的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)的位移設(shè)計(jì)。此外，除了小震階段的計(jì)算之外，還應(yīng)進(jìn)行第二階段的抗震設(shè)計(jì)，即根據(jù)大震進(jìn)行整體的統(tǒng)計(jì)和分析，這是我國(guó)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

（3）選擇新型的高性能材料及合理的結(jié)構(gòu)體系

為提高高層建筑的抗震性能，降低其柱截面的尺寸，在有條件的地方應(yīng)盡量使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及材料。而且在不同情況下對(duì)這些結(jié)構(gòu)的選擇也不同，比如，超過(guò)一定高度的建筑物，應(yīng)選擇鋼管或鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及材料以便減小風(fēng)振，而不應(yīng)選用質(zhì)量小并且較為柔軟的鋼結(jié)構(gòu)。而且不同結(jié)構(gòu)的建筑為了提高抗震性能選用的材料也不盡相同，比如，鋼骨混凝土構(gòu)件的高層建筑，其選用的材料應(yīng)為實(shí)腹式焊接工字鋼或大型型鋼，這樣在地震中受到的震害會(huì)比較輕微。

（4）改善短柱抗震性能

高層建筑整體框架的抗震能力必須滿(mǎn)足“強(qiáng)剪弱彎”的要求，其柱體也須滿(mǎn)足強(qiáng)柱弱梁的要求，這樣才能保證柱子不先于梁破壞、不發(fā)生剪切破壞。我們可以通過(guò)采取措施減少短柱的截面尺寸，以提高其延性和承載力，從而改善其抗震性能，具體的措施有：①盡量使用復(fù)合螺旋箍筋，以提高短柱的抗剪承載力以及對(duì)混凝土的約束作用，從而提供短柱的抗震性能;②采用分體柱，一般情況下短柱的抗剪承載力要小于抗彎承載力，因此我們可以通過(guò)削減短柱的抗彎承載力，使其與短柱的抗剪強(qiáng)度持平或略低，從而使短柱在地震作用下能先達(dá)到抗彎強(qiáng)度后再出現(xiàn)其延性的破壞;③使用鋼管混凝土柱，鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式，其內(nèi)部的混凝土在受到鋼管的側(cè)向約束之后會(huì)呈現(xiàn)三向受壓的狀態(tài)，從而大幅度提高混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，使混凝土的延性得到極大地改善。

四、結(jié)束語(yǔ)

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中任何的疏漏都有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程更加復(fù)雜甚至出現(xiàn)安全隱患，因此，我們應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范及要求，總結(jié)國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)更加合理可行的抗震設(shè)計(jì)方案，使我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)更加完善和完美。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭繼武.建筑抗震設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]徐正忠.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.