高層房屋抗震設(shè)計的研究

莫子洋

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和需求的提高，現(xiàn)代建筑逐漸向高層建筑和功能多樣化發(fā)展。我國高層建筑眾多，其結(jié)構(gòu)設(shè)計備受關(guān)注。建筑數(shù)量的增加和建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得現(xiàn)代建筑的抗震設(shè)計越來越重要。我國地震帶多，地震多，大地震多。因此，高層建筑的抗震設(shè)計是一個非常重要的課題，為了在高層建筑的設(shè)計階段提出最合理、最有效的抗震設(shè)計，應(yīng)結(jié)合實際進行深入研究分析。

1 地震對高層建筑結(jié)構(gòu)破壞的描述

近年來，各地地質(zhì)事故層出不窮，通過地震資料分析可知，雖然建筑結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下具有合理的應(yīng)力，但在地震后會因過大的應(yīng)力而損壞。建筑物在地震作用下的動力作用是獨一無二的，實際表現(xiàn)如下。

1.1 地基

部分地區(qū)有較厚的軟沖擊土層，此時對多層建筑地基的破壞明顯增加。由于底土變薄，地基發(fā)生不均勻沉降，最終導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)甚至一般路堤的破壞。如果多層建筑位于不方便或危險的地方，破壞地基會破壞房屋的整體結(jié)構(gòu)。只要建筑結(jié)構(gòu)的基本振動相位與地形的自然振動相位相同，共振破壞程度就會增加[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)體系

在高層建筑中，主要采用框架或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)柱容易發(fā)生剪切破壞。如果高層建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)，破壞程度會比較??；如果采用下框架結(jié)構(gòu)，會嚴(yán)重?fù)p壞下加強筋；采用框架結(jié)構(gòu)時，下層樓板為開放式框架空間，下層磚墻也受到嚴(yán)重破壞，采用鋼筋混凝土柱板結(jié)構(gòu)體系時，柱基被穿孔破壞，由于樓板或樓板橫向位移大，導(dǎo)致各樓層樓板倒塌。高層建筑結(jié)構(gòu)體系如圖1 所示。

圖1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系

1.3 硬度分布

如果建筑物結(jié)構(gòu)位于矩形平面內(nèi)，并且在電梯井等抗剪構(gòu)件中偏心，則地震災(zāi)害會因扭轉(zhuǎn)振動而放大，地震引起的扭轉(zhuǎn)振動最終會導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生事故。

1.4 構(gòu)件形式

在框架施工時，對支撐的損壞程度高于對梁和面板的損壞程度；在鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)中，窗下墻體通常會出現(xiàn)水平或者斜向裂縫；螺旋支架配置在混凝土柱中時，層間位移角較大時，基礎(chǔ)混凝土仍完好，鋼柱抗力強，但當(dāng)一層有長柱和短柱時，短柱子損壞比較嚴(yán)重。

1.5 建筑的體型

如果建筑物的平面結(jié)構(gòu)不均勻，例如T 字形、L 字形、Y 字形等，那該結(jié)構(gòu)在地震來臨時，它的破壞程度將會比一般規(guī)則的結(jié)構(gòu)要大得多。當(dāng)多層建筑的底盤升高時，裙樓和主樓頂部的占地面積突然減小，往往會因相鄰樓層之間的突然質(zhì)量變化而造成嚴(yán)重破壞。如果多層建筑的抗震連接寬度較小，可能會造成建筑物之間的碰撞損壞；區(qū)域質(zhì)心與地面質(zhì)心的位移距離越大，地震越強造成的損害也越大[2]。

2 地震等級對高層結(jié)構(gòu)的影響

所謂震級，主要是按照地震的烈度來分類的。我國將地震分為6 個等級。3 級及以下地震為小地震、3～4.5 級為有感地震、4.5～6 級為中強地震、6～7 級為強烈地震、7～8 級稱為大地震，8 級以上的強地震稱為特大地震。對于結(jié)構(gòu)，建筑物的抗震等級可分為A、B、C、D四類。

一般情況下，我國建筑物的抗震能力為8 度，可以有效抵御6 級地震的沖擊。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，國家建筑設(shè)計部門根據(jù)建筑物的分級和緊固標(biāo)準(zhǔn)，以及建筑物的實際高度和結(jié)構(gòu)特點，對多層建筑采用不同的抗震等級。例如，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑物的抗震等級可分為一般、重型、重型和極重型四個等級。在多層建筑的抗震設(shè)計中，需要根據(jù)高度、結(jié)構(gòu)、扣件強度等參數(shù)，以及計算結(jié)果和技術(shù)要求，確定混凝土的抗震等級[3]。

3 建筑物抗震設(shè)計的理論分析

隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑數(shù)量不斷增加，結(jié)構(gòu)、面積方案和豎向造型的設(shè)計難度越來越大，加之地震頻發(fā)。近年來，我國提出對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計進行分析，高層建筑的抗震分析作為抗震工程設(shè)計的主要依據(jù)起著非常重要的作用。要加強設(shè)計工作，通過抗震分析，確保高層建筑的安全、符合抗震設(shè)計要求、安全、經(jīng)濟。

3.1 建筑抗震結(jié)構(gòu)

抗震設(shè)計規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》是對各國建筑抗震實踐的可靠總結(jié)，是建筑抗震設(shè)計的規(guī)范性文件，它不僅能反映經(jīng)濟指標(biāo)。每個國家的水平和每個國家的建筑和抗震實踐經(jīng)驗水平。建筑的抗震設(shè)計不僅要求設(shè)計者有高水平的理論，還需要豐富的實踐經(jīng)驗和建筑安全的重中之重[2]。基于這樣的理解，現(xiàn)代建筑抗震規(guī)范中的一些規(guī)定被認(rèn)為是強制性的，設(shè)計者可以評估哪些應(yīng)該按照規(guī)則的語言來執(zhí)行，哪些可以根據(jù)客觀情況進行調(diào)整。

3.2 抗震設(shè)計理論

準(zhǔn)靜態(tài)理論是上世紀(jì)初發(fā)展起來的一種理論，地震的大小可以等于結(jié)構(gòu)自重與抗震系數(shù)的乘積；反應(yīng)譜理論是在1940 年代和1960 年代發(fā)展起來的。它基于對動態(tài)效應(yīng)特性的透徹理解和研究分析地震特性后獲得的關(guān)鍵結(jié)果；1970 年代和1980 年代動力學(xué)理論的發(fā)展和應(yīng)用及其對計算機技術(shù)和控制技術(shù)的有效運用，被用來進一步分析建筑物的線性或非線性運行過程。動力理論也就是地震時程分析理論，它認(rèn)為地震是一個過程，在這個過程中，選擇具有代表性的地震的加速度時程作為地震動力輸入，從而在更大程度上簡化了建筑物。計算系統(tǒng)的自由度，計算地震每個時刻建筑物的影響，完成抗震工程[3]?？拐鹪O(shè)計優(yōu)化方案如圖2所示。

圖2 抗震設(shè)計優(yōu)化方案

4 高層建筑抗震設(shè)計方法分析

在高層建筑的抗震設(shè)計中，必須從降低地震震級和提高抗震能力兩個方面考慮，才能在抗震設(shè)計和建筑施工中取得良好的效果。高層建筑抗震規(guī)劃主要有以下方法。

4.1 減少地震期間的能源消耗

在實際設(shè)計過程中，需要應(yīng)用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法對實際設(shè)計方案進行定量分析，以保證結(jié)構(gòu)的變形柔度滿足預(yù)期的地震力變形要求。在假設(shè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力時，需要確定地震影響下建筑結(jié)構(gòu)的層間位移限值，以及建筑變形之間的確切關(guān)系，通過構(gòu)件和結(jié)構(gòu)位移，確定構(gòu)件的變化值，構(gòu)件的靜力要求是根據(jù)建筑界面的分布規(guī)律和變形的大小來確定的。對于高層建筑，應(yīng)選擇堅固的場地進行施工，這樣可以有效減少發(fā)生地震時的容量，從而減少地震破壞[4]。

4.2 采用高度靈活的設(shè)計，采用減震隔離措施

高層建筑的抗震設(shè)計通常采用柔性結(jié)構(gòu)，在一定程度上控制了建筑物的結(jié)構(gòu)剛度，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高柔性和抗震塑性。消耗引起地震的能力，以減少地震對公寓樓造成的結(jié)構(gòu)破壞。如果高層建筑的承載能力低但柔韌性高，那么它在地震中倒塌的可能性就較小。這是因為柔性元件吸收能量，有效防止建筑結(jié)構(gòu)變形，可見柔性結(jié)構(gòu)能有效減少地震的影響[4]。21 世紀(jì)以來，人們對建筑的抗震能力給予了更多的關(guān)注、研究和成果，如近幾年減震器在高抗震結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在我國高層建筑使用阻尼器來減少振動，可以顯著減少地震對住宅建筑的破壞?？拐鹱枘崞魅鐖D3 所示。

圖3 抗震阻尼器

4.3 做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計工作

對于高層建筑的設(shè)計者，應(yīng)特別注意其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在我國，150m 以上的建筑物通常采用框架管、管中管和框架支撐體系三種結(jié)構(gòu)體系，這三種體系在其他國家也得到廣泛應(yīng)用。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，可以將傳統(tǒng)的固態(tài)抗震體系逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝钥拐鸾Y(jié)構(gòu)，用于設(shè)計具有剛?cè)嵯酀母邔咏ㄖ拐鸾Y(jié)構(gòu)。因此，剛度和柔韌性的結(jié)合代表了地震的影響，沖擊力降低了?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4 所示。

圖4 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.4 做好建材選擇

我國鋼鐵工業(yè)規(guī)模較大，鋼結(jié)構(gòu)加工制造能力在世界上也名列前茅。在規(guī)劃高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)時，應(yīng)慎重考慮建筑材料的選擇。首先，為了分析建筑材料的參數(shù)，特別是其抗震參數(shù)，不必只考慮材料的承載能力而忽略材料的其他參數(shù)，抗震設(shè)計必須保證建筑材料滿足承載能力要求。

4.5 提高抗震閾值

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以設(shè)置多條抗震防護線，以增加建筑工程的抗震安全性。雖然安裝多層抗震防護線會因地震而破壞第一道防護線，但高層建筑結(jié)構(gòu)仍需有第二道、第三道或更多道防護線才能承受地震的力量，從而防止高層建筑的倒塌。在高層建筑的抗震設(shè)計中，可以選擇多片式或帶墻架的擋土墻施工，以達到抗震安全目標(biāo)?？蚣苁綋跬翂Y(jié)構(gòu)代表了典型的高層抗震結(jié)構(gòu)，斜墻是其第一道防線，是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的關(guān)鍵構(gòu)件，從而提高了建筑物的整體承重能力[5]。

4.6 加固處理的設(shè)計

為了有效提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的具體情況進行一定的加固處理。請注意：①結(jié)構(gòu)有缺陷的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)具體情況增加所需的加強構(gòu)件，也可用高抗震構(gòu)件代替原有構(gòu)件。②為提高建筑結(jié)構(gòu)的承載能力，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，可增加構(gòu)件或擴大原有部分，采用框架安裝方式進行加固工作。③很多建筑結(jié)構(gòu)的完整性不符合抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，通過對結(jié)構(gòu)進行有針對性的調(diào)整，分散地震力，可以將結(jié)構(gòu)破壞降到最低。對于與建筑結(jié)構(gòu)無關(guān)的多層建筑構(gòu)件，它們可以抗震，因此需要進行相應(yīng)的加固。

4.7 結(jié)構(gòu)變形的控制

對于高層建筑的總抗震能力，結(jié)構(gòu)變形對抗震能力有直接影響。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，建筑物在橫向振動的影響下側(cè)向移動，導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)變形和破壞。因此，在研究建筑結(jié)構(gòu)的性質(zhì)時要做好工作，然后有針對性地采取加固措施，盡量減少建筑結(jié)構(gòu)在地震影響下的變形。經(jīng)驗表明，中間層的橫向偏移角是評估多層建筑損壞程度的一個非常重要的指標(biāo)，這也是為什么國家對這里有明確規(guī)定的原因。必須采取一定的措施來控制結(jié)構(gòu)的橫向移動，通常是通過減小柱間距和框架桁架間距，引入抗彎和剪力雙側(cè)向力的系統(tǒng)，安裝剛性把手、臺階和更換垂直支撐[5]。將部件轉(zhuǎn)換為三維部件，圍欄結(jié)構(gòu)涉及抗震，傾斜立面的使用，機身的扭轉(zhuǎn)，雙曲線圓柱體的使用，增加房屋的有效寬度以控制橫向運動。

5 結(jié)語

近年來，建筑業(yè)逐漸進入新時代，為保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，需要做好其結(jié)構(gòu)設(shè)計，使新的建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足施工要求。同時使用技術(shù)和美學(xué)設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)建筑物的具體情況進行抗震設(shè)計，分析地基承載力等參數(shù)，進行建筑材料的選擇，并進行抗震設(shè)計，使建筑結(jié)構(gòu)符合要求。