梁棟

（新昌縣規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，浙江 新昌 312500）

1 概述

從上個世紀70年代以來，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師通過多年的地震災(zāi)害實踐經(jīng)驗總結(jié)中明白，宏觀的“概念設(shè)計”對與工程結(jié)構(gòu)抗震來說比“數(shù)值設(shè)計”來的更重要些。所謂的概念設(shè)計就是從結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計的時候就運用人們在工程實踐中總結(jié)的正確的建筑結(jié)構(gòu)抗震知識處理結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到問題，以宏觀的原則評價、鑒別為基礎(chǔ)，做出必要的計算和構(gòu)造措施，消除建筑物抗震的薄弱環(huán)節(jié)，從而達到合理的抗震設(shè)計的目的。因此，這就要求結(jié)構(gòu)工程師必須從主體上了解結(jié)構(gòu)抗震特點，振動中結(jié)構(gòu)的受力特征，突出主要矛盾，用正確的概念設(shè)計，才能達到抗震減災(zāi)的目的。

2 地震災(zāi)害多發(fā)點

2.1 結(jié)構(gòu)層屈服強度比較薄弱的樓層

由于很多高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在很大的不均勻性，一旦遇到比較大的能量沖擊，屈服強度比較薄弱的結(jié)構(gòu)層就會被屈服，造成彈塑性變形急劇發(fā)生，導致彈塑性變形大面積擴展的現(xiàn)象。比如，1976年的唐山大地震中，由于13層的蒸吸塔框架中第6層和第11層屈服強度較弱，導致該蒸吸塔6層以上全部倒塌。

2.2 柱端和節(jié)點處

高層建筑結(jié)構(gòu)中一般是梁輕柱重，柱子的頂部重于（終于）柱子的底部，特別是角柱和邊柱更容易受到地震破壞。柱子容易受到彎曲破壞，輕則發(fā)生水平或斜向斷裂，重則混凝土被壓垮塌，導致里面鋼筋崩脫。當柱子的一側(cè)有強度較高的砌體填充墻嵌砌時，柱頂受剪切力破壞嚴重，甚至會轉(zhuǎn)移到窗口上下處，以及出現(xiàn)短柱受剪切力的破壞。

2.3 砌體填充墻

砌體填充墻雖然剛度很大，但其變形能力很差，在強烈的地震S形沖擊波的破壞下會遭受嚴重的破壞。

3 影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的主要因素

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)所用的材料及施工質(zhì)量

眾所周知，建筑結(jié)構(gòu)的施工材料質(zhì)量越差，地震對建筑所造成的破壞越大，但是這個問題往往被人們所忽視。在建筑物的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻等構(gòu)件中，假如能廣泛使用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶粒混凝土、加氣混凝土板、空心塑料板材等輕質(zhì)材料，將會顯著改善建筑物的抗震性能。因此，在整體施工過程中，一定要對施工的每個環(huán)節(jié)都加以重視，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，都有可能影響建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震能力。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

一棟建筑物假如平面布置復(fù)雜，導致質(zhì)心和剛心不在同一點，就很容易在地震作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彎曲，加劇了地震的破壞力。例如，臺灣的9·21地震中，一棟高層建筑由于結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，在水平的地震作用下，產(chǎn)生扭曲效應(yīng)，導致建筑坍塌。對于結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則的建筑，我們應(yīng)注意偏離結(jié)構(gòu)剛心遠端的抗震墻和框架柱的承載力計算。對于建筑的立面，要避免頭重腳輕，盡量將結(jié)構(gòu)的重心降到最低。

3.3 建筑場地

建筑選擇工程地址時，一定要進行詳細的地質(zhì)勘探，熟悉地形地質(zhì)情況，挑選對建筑抗震有利的地形。由于地震時地面的強烈運動會導致建筑在振動過程中，喪失整體性和穩(wěn)定性而遭到破壞，甚至會造成水壩倒塌、海嘯、火災(zāi)等次生災(zāi)害的發(fā)生。斷層錯動、山崖崩塌、河岸滑坡地層陷落等地面嚴重變形造成的災(zāi)害可以通過工程措施加以防治，而很多災(zāi)害單靠工程措施是很難達到預(yù)防目的，而且會讓人們付出慘痛的代價。因此，要盡可能避免對建筑抗震不利的場地，不管是什么情況，都不能在抗震不利場地中建造對人員傷亡和造成巨大經(jīng)濟損失的建筑物。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的具體設(shè)計

4.1 重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的均勻性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是，由于實際的高層建筑結(jié)構(gòu)都是三維立體的，而實際的地震作用和風荷載都是比較復(fù)雜多變的，具有多向性，所以高層建筑中主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向的剛度和變形特性都要相似，才能使得高層建筑的兩個主軸方向受力比較均勻，這樣才能具有良好的抗震力和抗風性。二是，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在豎向斷面、構(gòu)成變化上比較均勻，不能由于某種情況產(chǎn)生突變。特別是主體結(jié)構(gòu)的層剪切剛度不能發(fā)生突變，因為均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)能夠避免由于建筑薄弱層破壞而導致整個建筑物遭到破壞。三是，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)注意同一主軸方向上的各個抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻，避免在主體結(jié)構(gòu)布置中設(shè)置一些剛度特別大而延性較差的結(jié)構(gòu)，比如長窄的實體剪力墻，雖然長窄的實體剪力墻在結(jié)構(gòu)上能滿足對稱性和剛度的要求，但其個別結(jié)構(gòu)剛度很大，在地震作用下，會吸收很大的能量，導致應(yīng)力集中，首先遭到破壞，從而會導致整體建筑結(jié)構(gòu)的破壞。而同一主軸方向上的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻就會在水平荷載作用下應(yīng)力分布均勻，這樣有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實現(xiàn)。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)體系的合理選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)體系選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)方案是否合理，對安全性和經(jīng)濟性起決定性的作用。結(jié)構(gòu)體系需要有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，如建筑物梁的布置應(yīng)盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱上去；盡量使豎向構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的壓應(yīng)力水平接近均勻，避免豎向構(gòu)件之間形成二次壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)移；布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時，盡量使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來的垂直重力荷載通過轉(zhuǎn)換層不超過2次轉(zhuǎn)換，傳遞到下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件上去；由于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)一般有框架、剪力墻、筒體、支撐等組成，為了使它們貫通連續(xù)，在整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)上必須體系明確，傳力直接，若它們沿豎向有變動，變化也要緩慢均勻，不能產(chǎn)生突變。結(jié)構(gòu)體系需要多道抗震防線，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)就是具有良好性能的多道防線的抗震結(jié)構(gòu)。剪力墻既是主要抗側(cè)力構(gòu)件，又能充當?shù)谝坏揽拐鸱谰€。所以想結(jié)構(gòu)體系中有相當數(shù)量的剪力墻，使得它的結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩不小于底部總地震傾覆力矩的50%。同時，剪力墻可以通過合理設(shè)置連梁，組成多肢聯(lián)肢墻，使其具有優(yōu)良的多道抗震防線性能。連梁的剛度、承載力和變形能力應(yīng)與墻肢相匹配，避免連梁過強而使墻肢產(chǎn)生較大拉力而過早出現(xiàn)剛度和承載力退化。為了能夠承受剪力墻開裂后重分配的地震作用，任何一層框架和墻協(xié)同作用分配的地震剪力，不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5倍之兩者的較小值。

主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度選擇合理是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要指標之一。首先，主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度須滿足規(guī)范上規(guī)定的水平位移、整體穩(wěn)定、強度延性等要求。但在多年工程設(shè)計的經(jīng)驗中總結(jié)出，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度不宜過大，由于結(jié)構(gòu)的延性和安全儲備主要依靠合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和精心的設(shè)計，高層建筑的主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范值即可；而主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度過大，也會造成結(jié)構(gòu)的基本自振周期短，隨著地震作用的加大，結(jié)構(gòu)承受的水平力和傾覆彎矩也加大，地基基礎(chǔ)的負擔也加大，導致結(jié)構(gòu)的截面和相應(yīng)的構(gòu)造配筋增加，大大降低了其經(jīng)濟效率。

5 減輕地震災(zāi)害的措施

5.1 對舊有建筑進行加固

由于我國部分地區(qū)發(fā)展相對滯后，還存留了很多70年代前后的建筑物，這些建筑物在建造時大多數(shù)都沒有或者很少考慮到抗震問題，以至于現(xiàn)在很多建筑都存在基礎(chǔ)沉降、墻體裂縫、傾斜、面層剝落等現(xiàn)象和隱患。為了確保人民生命財產(chǎn)的安全，同時又能充分利用舊房資源，我們對不符合抗震要求的建筑進行加固，對部分建筑進行修繕，達到滿足抗震的目的。消能減震技術(shù)在抗震加固中具有獨特的優(yōu)點，它擺脫了常規(guī)加固中以構(gòu)件承載力為主的加固模式，而是通過減小建筑物上地震作用的途徑，使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件滿足抗震要求。這對地震頻繁，人口眾多的我國來說，對工程結(jié)構(gòu)抗震具有大的意義。

5.2 研究開發(fā)更為合理的結(jié)構(gòu)形式

隨著科學技術(shù)的不斷進步，高層建筑結(jié)構(gòu)逐漸向自重輕、跨度大、功能多樣、施工周期短的方向發(fā)展。因此，質(zhì)量輕強度高的新型建筑材料的研制和更為合理的建筑結(jié)構(gòu)形式的研發(fā)成為各種新型結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的必然趨勢。例如，開合屋蓋結(jié)構(gòu)，是一種在短時間內(nèi)部分和全部屋蓋可以移動或開合，其結(jié)構(gòu)是將一個完整的屋蓋結(jié)構(gòu)劃分為幾個可移動的單元，可移動單元能夠按照一定軌跡移動達到開啟和閉合的作用。

5.3 建材及建筑結(jié)構(gòu)體系的合理選擇

對于我國這個地震多發(fā)的地區(qū)，高層建筑施工材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)體系的合理選擇應(yīng)該受到人們的高度重視。我國高層建筑中主要的結(jié)構(gòu)體系為框架、剪力墻、筒體等幾種體系，而在國外的多發(fā)地震區(qū)，結(jié)構(gòu)體系是以鋼結(jié)構(gòu)為主，這應(yīng)該是我國地震多發(fā)區(qū)值得借鑒的地方。

在地震多發(fā)地區(qū)，要注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選。我國鋼材產(chǎn)量居世界前列，建筑鋼材的類型和品種也隨之增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力也隨之提高，所以我們要盡可能采用型鋼混凝土（SRC）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（CFS）或鋼結(jié)構(gòu)（S或SS），以減小柱子斷面尺寸。由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，利用鋼管混凝土承重，柱子自重能夠減輕65%左右，而柱截面減小能夠增加建筑空間的使用面積，在工程造價上鋼管混凝土與鋼筋混凝土相比，可降低15%左右。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，建議優(yōu)先考慮使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

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