高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

王斌斌

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，合肥 230031）

1 引言

在諸多自然災(zāi)害中，地震對(duì)人類的影響尤為明顯。震級(jí)越高，釋放能量越大，產(chǎn)生的破壞程度越強(qiáng)。隨著建筑高度的不斷增加，其抗震性能越來(lái)越受到考驗(yàn)，必須引起人們足夠的重視。在以往的抗震設(shè)計(jì)中，存在著一些難以解決的問(wèn)題，需要加強(qiáng)理論研究和實(shí)踐探索，積極挖掘新技術(shù)、新方法，不斷完善高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震體系。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概述

2.1 地震作用

地震是一種自然現(xiàn)象，幾乎每天都會(huì)發(fā)生，只不過(guò)大多震感不明顯。我國(guó)位于兩大地震帶之間，是一個(gè)典型的地震多發(fā)國(guó)家，具有活動(dòng)頻率高、分布廣、震源淺、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，唐山大地震和汶川地震造成了大量的房屋坍塌和生命損傷，給人們?cè)斐傻膭?chuàng)傷至今無(wú)法撫平，因此，提高建筑抗震能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。圖1 為震后高層建筑受損圖。

圖1 震后高層建筑受損圖

2.2 抗震設(shè)計(jì)理論

現(xiàn)階段，抗震設(shè)防可以分為多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震3 個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)普遍遵循小震不壞、中震可修、大震不倒的思想理念，通常情況下，需要進(jìn)行多遇地震下的彈性分析和罕遇地震下的彈塑性分析。同時(shí)，還應(yīng)該包括設(shè)防地震下的中震分析。“三水準(zhǔn)抗震設(shè)防”思想存在一定的局限性，沒(méi)有進(jìn)行定量規(guī)定，而且不能有效控制非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一旦地震發(fā)生，導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失功能，可能會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)估的損失。隨著理論研究的不斷推進(jìn)，以及人們對(duì)建筑抗震期望值的不斷增加，越來(lái)越多的抗震設(shè)計(jì)理論得以發(fā)展應(yīng)用[1]。

3 影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震效果的主要因素

3.1 選址問(wèn)題

地震烈度是指某一地區(qū)的地面和建筑物遭受一次地震破壞的程度，不同地區(qū)的地震烈度不同，直接影響著高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果，而且場(chǎng)地內(nèi)的地質(zhì)條件、水文條件、地形地貌都會(huì)影響建筑場(chǎng)地的抗震能力。通常情況下，抗震設(shè)計(jì)采用基本烈度作為依據(jù)，然后根據(jù)建筑重要性、抗震性以及地質(zhì)條件，結(jié)合場(chǎng)地烈度，對(duì)基本烈度進(jìn)行調(diào)整，作為最終的設(shè)計(jì)烈度，所以，地質(zhì)勘察、選址工作至關(guān)重要，直接決定了高層建筑的抗震效果和工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 建筑高度

一般情況下，建筑高度越高，建筑重心越高，穩(wěn)定性越差。我國(guó)相關(guān)部門(mén)已經(jīng)對(duì)建筑高度和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足相應(yīng)的設(shè)防烈度要求，嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。然而，隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，高層建筑受到了市場(chǎng)的追捧，許多建筑存在著超高超限的問(wèn)題，產(chǎn)生了一些不確定性因素，如果沒(méi)有得到充分的設(shè)計(jì)論證，一旦發(fā)生地震作用，很容易產(chǎn)生形變破壞，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2]。

3.3 建筑材料

建筑材料是建筑實(shí)體的基本組成部分，直接決定著建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量，不同材料有不同的性能，可以構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)體系。比如，鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強(qiáng)度高、整體剛性好、抗震性能好、變形能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適于建造大跨度以及超高、超重型建筑，而型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)既具有鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，又增加了混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)需求，盡可能使用抗震性能好的材料和結(jié)構(gòu)形式，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的建筑材料更有利于提升建筑抗震效果。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施研究

4.1 做好地質(zhì)勘察和地基處理工作

在工程選址時(shí)，除了注重地震烈度，必須加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，詳細(xì)了解影響場(chǎng)地抗震效果的各種因素，包括巖體的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、工程地質(zhì)性質(zhì)以及地下水的類型和分布，地質(zhì)勘察是分階段進(jìn)行的，必須根據(jù)不同階段的勘察要求，嚴(yán)格把控工作質(zhì)量，保證勘察資料的完整性和準(zhǔn)確性，為高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，有針對(duì)性地制訂地基處理方案，尤其要注意松散軟弱土層、風(fēng)化破碎巖層、斷層、泥化軟弱夾層、巖溶、土洞等特殊地質(zhì)，著重提高地基承載力和穩(wěn)定性，減少不良地質(zhì)條件對(duì)工程建設(shè)的影響。根據(jù)地質(zhì)條件和地基處理情況，選擇合適的基礎(chǔ)類型，常見(jiàn)的基礎(chǔ)類型包括獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)，在地基處理困難或者不經(jīng)濟(jì)時(shí)，通?？梢圆捎脴痘A(chǔ)，能夠跨越一定范圍的不良地質(zhì)，從而為上部建筑提供有力支撐[3]。

4.2 選擇合適的結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑承重結(jié)構(gòu)材料劃分，適用于高層建筑的結(jié)構(gòu)體系包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中，后兩者由于鋼材的優(yōu)越性能，具有抗震性能好、變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)承重體系劃分，適用于高層建筑的結(jié)構(gòu)體系包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)。其中，框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活，但側(cè)向剛度較小，容易產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件損壞；剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大，但平面布置不夠靈活；框剪結(jié)構(gòu)集合了框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)；而筒體結(jié)構(gòu)是抵抗水平荷載最有效的結(jié)構(gòu)體系，適用于高度較高的建筑。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮不同結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)置多道防線，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性能。

4.3 優(yōu)化建筑平面和空間設(shè)計(jì)

柱子、墻體等主要受力結(jié)構(gòu)的平面布置和空間設(shè)計(jì)，也直接影響著高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮工程特點(diǎn)、施工技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)條件等綜合因素，盡可能使結(jié)構(gòu)平面和空間布置相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)，注意分布的合理性，使各部分結(jié)構(gòu)受力均勻，減少薄弱部位的出現(xiàn)。通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心需要與剛度重心相吻合，在設(shè)計(jì)豎向結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)降低剛度重心，控制豎向結(jié)構(gòu)的錯(cuò)向頻率，保證豎向位置平衡。另外，合理設(shè)置構(gòu)造柱，可以豎向加強(qiáng)墻體連接，增強(qiáng)建筑物承受地震作用的能力，防震縫的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，一般從基礎(chǔ)頂面開(kāi)始設(shè)置，根據(jù)建筑高度和抗震烈度，嚴(yán)格控制縫寬[4]。

4.4 注重建筑材料的選擇應(yīng)用

相對(duì)而言，結(jié)構(gòu)尺寸越小，建筑自重越輕，在遭受地震波沖擊時(shí)，產(chǎn)生的破壞性越小，但這需要以提高材料性能為保障，在縮小構(gòu)件尺寸的同時(shí)，能夠提供同樣的承載力，比如，使用高強(qiáng)混凝土，提高鋼筋強(qiáng)度等級(jí)，設(shè)置構(gòu)造鋼筋和抗扭鋼筋，等等。隨著工程行業(yè)的持續(xù)繁榮，建筑材料市場(chǎng)也得到了快速發(fā)展，許多新材料如雨后春筍般涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該及時(shí)掌握市場(chǎng)變化，了解各種材料的優(yōu)越性能，科學(xué)研判其抗震能力，積極運(yùn)用到高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)上來(lái)，盡量選擇質(zhì)量好、質(zhì)量小、強(qiáng)度高的復(fù)合型材料，能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜狀況，達(dá)到減輕建筑自重、抵御地震災(zāi)害的目的。

4.5 結(jié)構(gòu)薄弱層的加強(qiáng)處理

高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布不均勻，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，再加上樓層承載力突變，很容易出現(xiàn)薄弱層，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，這些薄弱部位首先會(huì)遭到破壞。所以，必須針對(duì)薄弱層進(jìn)行抗震加強(qiáng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能，達(dá)到局部增強(qiáng)的效果，減少變形問(wèn)題的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該提高重視程度，采用科學(xué)的處理方法，保證建筑結(jié)構(gòu)的整體性[5]。

4.6 做好截面抗震驗(yàn)算工作

為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)截面抗震效果，必須做好驗(yàn)算工作，注重非抗震承載力設(shè)計(jì)值的選用，緊密聯(lián)系承載力抗震調(diào)整系數(shù)，保證截面抗震驗(yàn)算的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的支持下，應(yīng)用先進(jìn)軟件工具，提高驗(yàn)算質(zhì)量和效率，提升設(shè)計(jì)內(nèi)涵，確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

4.7 隔震技術(shù)的有效應(yīng)用

應(yīng)用隔震技術(shù)，能夠有效延長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)自身震動(dòng)的周期，從而降低地震造成的破壞程度。隔震層的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，利用隔震裝置，可以將高層建筑的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分割開(kāi)來(lái)，在地震作用下，隔振系統(tǒng)能夠化解較多能量，上部結(jié)構(gòu)做緩慢平動(dòng)，這需要隔震裝置具有強(qiáng)大的承載能力，因此，必須保證使用高性能材料，而且為了延長(zhǎng)使用壽命，還應(yīng)該做好保護(hù)設(shè)計(jì)，避免隔震裝置失效。為了提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，可以在頂樓設(shè)置反擺隔震層，如果發(fā)生地震，反擺隔震層能夠產(chǎn)生反方向阻力，緩解地震波的沖擊，隔震層的位置選擇以及隔震裝置的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，都是隔震技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)人員著重把控。圖2 為隔震技術(shù)示意圖。

圖2 隔震技術(shù)示意圖

4.8 消能減震技術(shù)的應(yīng)用

消能減震技術(shù)在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要是將某些非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能構(gòu)件，或者在某些節(jié)點(diǎn)安裝耗能裝置，如阻尼器等，在發(fā)生小地震時(shí)，消能裝置處于彈性狀態(tài)，高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度，能夠滿足正常使用需求，當(dāng)發(fā)生中強(qiáng)地震時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)變形和受力的不斷增加，消能裝置進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的阻尼，能夠消耗地震產(chǎn)生的能量，并快速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，防止主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯破壞。消能減震技術(shù)是以犧牲消能構(gòu)件為代價(jià)保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，在地震結(jié)束后，可以修復(fù)、更換消能構(gòu)件，使高層建筑恢復(fù)到正常使用狀態(tài)，這與傳統(tǒng)抗震體系相比，體現(xiàn)了較強(qiáng)的實(shí)用性和靈活性，最重要的是抗震效果更佳，消能減震技術(shù)成為減少地震災(zāi)難的有效技術(shù)[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，抗震設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，直接影響著高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多，成為城市靚麗的風(fēng)景線，然而，高層建筑容易受到地震沖擊波的影響，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損失。本文針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施進(jìn)行研究，在明確抗震設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，分析了有效的應(yīng)對(duì)方法，希望能夠起到積極的現(xiàn)實(shí)意義，提升高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平，在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，能夠有效減少損失，保證生命財(cái)產(chǎn)安全。