高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

李銀軍

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【摘 要】抗震設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)，高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)抗震性能有更高要求，其抗震設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重點(diǎn)。面對(duì)如此形勢(shì)，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索應(yīng)放在首位加以研究。本文簡(jiǎn)要分析建筑抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，以此對(duì)高層混凝土抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

引言：地震作用影響因素的復(fù)雜性使精確的抗震計(jì)算有一定的困難，因此建筑抗震問(wèn)題必須引起足夠重視。高層建筑層數(shù)多、高度高，結(jié)構(gòu)也比一般建筑復(fù)雜，隨著高層建筑的增多，一旦遭遇地震，將會(huì)造成巨大損失，高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。所以，采取有效措施，做好高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，防患于未然，對(duì)提升高層建筑抗震能力有重要意義。

1.抗震設(shè)計(jì)思路

我國(guó)《建筑抗震規(guī)范》對(duì)建筑的抗震設(shè)防提出小震不壞，中震可修，大震不倒三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防要求。地震的隨機(jī)性、不確定性和復(fù)雜性意味著建筑物會(huì)遭遇的地震特性和參數(shù)難以預(yù)測(cè)。高層建筑物龐大復(fù)雜的特點(diǎn)，使遭受地震作用后表現(xiàn)也十分復(fù)雜。結(jié)構(gòu)分析方面也存在著不確定性。因此，結(jié)構(gòu)工程抗震問(wèn)題應(yīng)立足于工程抗震理論及長(zhǎng)期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從概念設(shè)計(jì)的角度著眼于結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2.建筑抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析

要研究高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，必須先分析高層建筑抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及影響因素。

2.1地基選取問(wèn)題

高層建筑不應(yīng)跨在兩類土壤上建造，應(yīng)避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險(xiǎn)地段建造房屋，不用震陷土作天然地基，遠(yuǎn)離河岸，宜選擇開(kāi)闊平坦地帶的堅(jiān)硬土場(chǎng)地或密實(shí)均勻中硬土場(chǎng)地。高層建筑地基選取不當(dāng)會(huì)影響高層建筑抗震能力。

2.2結(jié)構(gòu)體系與材料問(wèn)題

建筑物所用材料和結(jié)構(gòu)體系逐漸被重視，其選擇對(duì)于抗震有重要意義。鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)在變形控制過(guò)程中要考慮混凝土的位移限制，鋼筋混凝土的彎曲變形側(cè)移較大，如利用鋼框架減少位移又會(huì)增加鋼筋負(fù)荷，輔助效果也不明顯，所以結(jié)構(gòu)模式要避免負(fù)面作用產(chǎn)生，慎重選擇。

2.3建筑物高度問(wèn)題

高層建筑需要有合理的建設(shè)高度，在這種高度下抗震設(shè)計(jì)才會(huì)穩(wěn)定安全，但是在高層建筑越來(lái)越多的今天，超過(guò)國(guó)家高度要求的高層建筑日益增多，相對(duì)應(yīng)的，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范很可能不再適用，超高層建筑理論經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的不足使建筑結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn)具備更多不確定性，當(dāng)遇到震力時(shí)，地震的破壞力可能會(huì)被放大，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。

表1.房屋適用的最大高度（m）

3高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題和影響因素進(jìn)行分析，探討高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

3.1場(chǎng)地與地基選擇

場(chǎng)地與地基的選擇對(duì)高層建筑抗震能力有直接影響，要保證建筑地基基礎(chǔ)選擇的科學(xué)性，在選擇場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)充分了解當(dāng)?shù)厍闆r，對(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘察，資料收集與綜合評(píng)價(jià)，評(píng)估抗震設(shè)計(jì)等級(jí)，規(guī)避不利場(chǎng)地，軟性地基。在高層建筑地基選擇應(yīng)盡可能選擇具有較高密實(shí)度的基土，提高地基抗震能力，抗震要求不達(dá)標(biāo)的地基應(yīng)采取加固或改造措施，應(yīng)盡量使建筑物場(chǎng)地建在基巖或薄土層或具有較大平均剪切波速的堅(jiān)硬場(chǎng)地土上，以減少地震能量輸入建筑物，減輕地震對(duì)建筑物的破壞作用。場(chǎng)地土剛度大小與覆蓋層厚度影響建筑物震害，土質(zhì)越軟，覆蓋層越厚建筑物震害越嚴(yán)重。

3.2建筑物結(jié)構(gòu)、外形與尺寸選擇

建筑物結(jié)構(gòu)、外形及尺寸影響建筑抗震性能。在高層建筑平面設(shè)計(jì)中要注意提高建筑防震性能，高層建筑是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響遠(yuǎn)大于垂直荷載，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度以使隨高度增加引起的側(cè)向變形在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)?，F(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)剛度大，空間整體性好，造價(jià)低廉，材料來(lái)源豐富，適應(yīng)各類建筑要求，但是結(jié)構(gòu)自重大，抗塑性變形差，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較短時(shí)易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量避免場(chǎng)地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴(yán)重。不規(guī)則建筑物比普通建筑抗震性低，所以在具有不規(guī)則外形的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取一定的防護(hù)措施。高層建筑高度，自重與地震危害程度成正比，要對(duì)當(dāng)?shù)氐刂非闆r合理評(píng)估，合理設(shè)計(jì)建筑高度，以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的地震災(zāi)害。

3.3建筑結(jié)構(gòu)材料的選取

建筑抗震性能在很大程度上取決于抗震材料，高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)就是對(duì)建筑構(gòu)件延性進(jìn)行整體協(xié)調(diào)與把握，力求在地震中的能夠保持穩(wěn)定。要對(duì)材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，選擇優(yōu)質(zhì)合格的抗震材料，確?？拐鹗┕べ|(zhì)量。在鋼筋的使用上應(yīng)盡可能選擇韌性高的產(chǎn)品。建筑的質(zhì)量會(huì)影響地震的效應(yīng)，如果建筑層數(shù)過(guò)多，在地震的作用下坍塌的危險(xiǎn)就會(huì)增加。為緩解這一現(xiàn)象，可以采用輕質(zhì)材料減輕結(jié)構(gòu)自重。輕型材料的應(yīng)用還可以合理增加建筑層數(shù)，進(jìn)一步的控制成本。最后，要兼顧建筑成本與造價(jià)控制，用較少的材料達(dá)到最佳的抗震效果。

3.4平面布置

平面布置是在建筑設(shè)計(jì)平面圖上將柱和墻的位置及對(duì)樓蓋具有的傳力作用進(jìn)行合理的設(shè)置。從建筑的抗震性能來(lái)看，關(guān)鍵在于盡量將建筑結(jié)構(gòu)平面剛度中心與質(zhì)量中心相靠近或重合，以此降低地震力對(duì)建筑的破壞力。為了減輕建筑自重，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，以結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則、對(duì)稱為宜。結(jié)構(gòu)的剛度在豎向上要保持均勻，盡量選用較為規(guī)則的豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平面上的變化少做。在安全規(guī)定內(nèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高度和寬度，并且需限制兩者的比值，以使結(jié)構(gòu)有較好的整體剛度和穩(wěn)定性。

表2.平面不規(guī)則類型

圖1.建筑平面

表3.豎向不規(guī)則類型

圖2.結(jié)構(gòu)豎向收進(jìn)和外挑示意

3.5隔震和消能減震設(shè)計(jì)

場(chǎng)地和地基應(yīng)盡可能選擇密實(shí)度較高的地基，能夠有效減少地震能量對(duì)建筑的破壞，減少共振發(fā)生可能。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)建筑的隔震系數(shù)，選擇相應(yīng)的隔震支座，同時(shí)考慮風(fēng)力對(duì)建筑所產(chǎn)生的載荷。我國(guó)許多高層建筑時(shí)多采用延性結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，適當(dāng)控制建筑結(jié)構(gòu)剛度，從而消耗地震作用能量，減弱地震給建筑帶來(lái)的破壞。如高層建筑有較高的延性，因?yàn)檠有詷?gòu)件可以吸收較多的能量，即使承載能力較小，也可以經(jīng)受住很大的結(jié)構(gòu)變形，在地震中不容易倒塌，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。

圖3.隔振支座

3.6加固設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)加固措施可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，選擇加固方法應(yīng)考慮以下幾方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加構(gòu)件加固，或采取更高抗震能力構(gòu)件替代原有構(gòu)件；需要提高承載力或結(jié)構(gòu)整體剛度，可以增設(shè)構(gòu)件，擴(kuò)大原有截面，設(shè)置套箍等；建筑結(jié)構(gòu)整體性連接抗震性能不達(dá)標(biāo)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，分散地震力，減少破壞；建筑中與結(jié)構(gòu)不相關(guān)的構(gòu)件有可能在地震時(shí)倒塌而造成危害的應(yīng)該適當(dāng)進(jìn)行加固。

3.7設(shè)置多道抗震防線

圖4.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

為增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地震的抵抗力，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件遭到破壞而導(dǎo)致整個(gè)體系崩潰，可以設(shè)置多道抗震防線。第一道防線遭到破壞，有后備的更多道防線阻擋地震作用力，避免高層建筑物的倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系由若干個(gè)延性良好的分體系組成，由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接。一般第一道抗震防線的抗側(cè)力構(gòu)件優(yōu)先選擇不負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選用軸壓比不太大、延性較好的抗震墻等。框架剪力墻具有多道防線抗震結(jié)構(gòu)，剪力墻作為第一道抗震防線，也是主要抗側(cè)力構(gòu)件。為保證承受能力較高，剪力墻要足夠多。同時(shí)，為承受剪力墻開(kāi)裂后剩余的地震作用，任一層框架部分地震剪力按框架和墻協(xié)同工作分配不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的兩成與框架各層剪力最大值的1.5倍中兩者的較小數(shù)值。

結(jié)束語(yǔ)

高層混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的抗震設(shè)計(jì)是衡量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的不斷變化與進(jìn)步要求我們?cè)趯?shí)踐中全面考慮各項(xiàng)因素，選用適合的抗震結(jié)構(gòu)，注重材料選擇，減小地震作用力，增強(qiáng)地震抵抗力，熟練的掌握和運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)，從而建造出更多精品高層建筑工程，為社會(huì)造福。

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