陳峰

中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江 杭州 311122

地震一直以來(lái)都在威脅人類的生存，即使在低層建筑的人們都難以在地震來(lái)臨的時(shí)候順利逃脫，更不要說(shuō)高層建筑里的住戶了，強(qiáng)震一旦來(lái)臨，經(jīng)濟(jì)和生命都會(huì)遭受重大損失，所以抗震建筑的設(shè)計(jì)刻不容緩。假如依據(jù)原來(lái)抗震設(shè)計(jì)，把不變的“設(shè)防烈度”當(dāng)作抗震的設(shè)計(jì)依據(jù)，那么是不符合當(dāng)代高烈度區(qū)高層建筑設(shè)計(jì)的。高烈度區(qū)房屋設(shè)計(jì)中的最關(guān)鍵也是最難的點(diǎn)就是怎樣抗震。從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在相同高度的建筑條件下地震設(shè)防的烈度低那么，它設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)則相對(duì)較低，反之則需結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)需要程度高。本文主要是對(duì)高烈度區(qū)高層房屋設(shè)計(jì)，所以就高烈度區(qū)高層建筑而言，第一，一定要牢牢抓住它的結(jié)構(gòu)特性，先使用一般的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)輪廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；緊接著利用三維模型，使用Ritz 向量法去探索它的特殊點(diǎn)；第三利用粘滯流體阻尼器，進(jìn)行進(jìn)一步的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后研究地震作用下抗震體系和減震體系的動(dòng)力反應(yīng)。

1 項(xiàng)目的前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目剛剛啟動(dòng)時(shí)期，怎樣選擇準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形式是影響整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵。這兩項(xiàng)的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，假如結(jié)構(gòu)體系又或是結(jié)構(gòu)形式選取不合理那么就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的建筑物外形給人比較差的觀感，不僅如此，還在很大程度上會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)先的價(jià)格。一般來(lái)說(shuō)，我們遵守的一個(gè)規(guī)則是“物美價(jià)廉”，也就是說(shuō)在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下要以最低的價(jià)格拿下工程，因此，這時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師就要發(fā)揮自己的作用了，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要把自己優(yōu)秀的以往工程經(jīng)驗(yàn)以及自身扎實(shí)的力學(xué)概念拿出來(lái)。假如一個(gè)工程沒(méi)有自己動(dòng)腦想出來(lái)特點(diǎn)，只是一味的模仿他人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖更有甚者直接照搬照抄他人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，那么這個(gè)工程在大部分的情況下都會(huì)導(dǎo)致大量的浪費(fèi)。在建筑設(shè)計(jì)中，有很多的設(shè)計(jì)工作人員都把圖紙上的內(nèi)容只當(dāng)作圖紙上的內(nèi)容，他們無(wú)法把自己投入到一種特定的環(huán)境中去工作，也不去考慮不同特點(diǎn)的建筑需要什么樣不同的結(jié)構(gòu)[1]。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)：在進(jìn)行第一層設(shè)計(jì)的時(shí)候，都是一些基礎(chǔ)性的設(shè)計(jì)工作人員，他們對(duì)于第一層的設(shè)計(jì)也只是在明白基礎(chǔ)常識(shí)的基礎(chǔ)上首先考慮獨(dú)立基礎(chǔ)然后第二考慮筏板基礎(chǔ)。當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)束后，由后期技術(shù)人員檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)地基根本就可以去支撐上面建筑的重量，但是地基的承載力也相差不是特別大，那么他們可以考慮對(duì)地基進(jìn)行一個(gè)處理；假如地基承載力和上部結(jié)構(gòu)重量相差很大的話，那么他們可以用樁基礎(chǔ)或者樁筏基礎(chǔ)，這些都能夠?qū)こ淘靸r(jià)造成浪費(fèi)。但是當(dāng)?shù)鼗鶙l件可以達(dá)到要求時(shí)，那么就不再需要對(duì)地基進(jìn)行補(bǔ)充，那么這樣就能夠在很大程度上節(jié)省工程建筑造價(jià)（約10%）。接下來(lái)到了上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，假如上部結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)體系需要使用框剪結(jié)構(gòu)，但是它并沒(méi)有使用框剪結(jié)構(gòu)而是使用了框架結(jié)構(gòu)，并且框架結(jié)構(gòu)可以達(dá)到規(guī)范的要求。那么此時(shí)雖然框架結(jié)構(gòu)也能夠滿足需求，但是它的工程造價(jià)必定會(huì)在原先的基礎(chǔ)上有個(gè)大幅度的提升。與之相反的則是本來(lái)需要框架結(jié)構(gòu)就可以很簡(jiǎn)單的就達(dá)到目標(biāo)時(shí)使用了框剪結(jié)構(gòu)，那么就會(huì)與上文一樣，也會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)的增加。到了這里，我們又可以追溯到前文，就怎樣選擇正確的結(jié)構(gòu)體系這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員必須要擁有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及扎實(shí)的設(shè)計(jì)理念。

當(dāng)然作為一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，他還必須要知道大體的結(jié)構(gòu)造價(jià)組成。這個(gè)經(jīng)濟(jì)計(jì)算，通常來(lái)說(shuō)都是以單位面積鋼量為主和混凈土折算厚度為輔。再舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)：就是高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常來(lái)說(shuō)都會(huì)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大體用鋼量區(qū)間:板為10kg/m梁為13~18kg/m、墻柱為18~25kg/m2在這里就可以算出單位面積的鋼量，就可以很容易得到這部分的大概工程造價(jià)[2]。

2 項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，給出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，必須要有一個(gè)較為空閑的空間，當(dāng)不適合設(shè)為剪力墻而卻適合框架柱時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)體系能夠被認(rèn)為是稀少的框架柱的剪力墻結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要核實(shí)下面的幾個(gè)方向：首先雖然這個(gè)結(jié)構(gòu)體使用的是框架柱結(jié)構(gòu)，但是它仍然屬于剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的抗震等級(jí)是根據(jù)純剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)而確定的；框架柱結(jié)構(gòu)的抗震能力甚至來(lái)說(shuō)高于剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力，又亦或是根據(jù)框架剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)確定框架柱的抗震水平。在設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，應(yīng)該使用包絡(luò)設(shè)計(jì)，兩種情況：一是考慮框架柱的剛度的影響，根據(jù)框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)的框架柱配筋；二是不考慮框架柱影響所有地震作用，完全由剪力墻承受根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)剪力墻的配筋。

由于時(shí)代的發(fā)展，為了保持街道的流通，街道停車越發(fā)規(guī)范化，所以這對(duì)停車位的要求也就越來(lái)越多，越來(lái)越高。大型商場(chǎng)和小區(qū)則需要設(shè)置標(biāo)配的地下停車場(chǎng)，以滿足人們的停車需求[3]。從目前買房的趨勢(shì)來(lái)看，小區(qū)有無(wú)規(guī)范的停車場(chǎng)十分影響買房者的選擇，它占據(jù)著十分重要的地位。因此開(kāi)發(fā)商為了更好的出售房屋，則必須滿足停車需求，一般小區(qū)現(xiàn)在都設(shè)置有地下室來(lái)。地下室的作用并不是單一的，它一般以機(jī)動(dòng)車停車為主，一小部分停機(jī)動(dòng)車以及雜物存儲(chǔ)室等。后兩部分的地下室存放位置可以在小區(qū)主樓下面，但是機(jī)動(dòng)車的停放位置需要較大的和比較規(guī)范的空間，就設(shè)在小區(qū)綠化的下面，這樣設(shè)計(jì)地下室的話，那么整個(gè)小區(qū)的地下就會(huì)被挖空。因此小區(qū)的主樓必然要使用措施來(lái)使得地下室頂板符合固端的需求。通常小區(qū)會(huì)把地下室頂板下降10~15m，是為了小區(qū)綠化的植樹(shù)覆土需要以及水管灌溉需要，因此地下室室外的頂板就和小區(qū)主樓的頂板產(chǎn)生了很大的落差。作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端的地下室頂板它主要為了能夠在發(fā)生地震時(shí)可以把水平力進(jìn)行一個(gè)快速的傳遞，這時(shí)就需要把高差處的框架梁進(jìn)行一個(gè)結(jié)構(gòu)處理[4]。第一，要把框架梁的抗震水平來(lái)一個(gè)提高處理，把梁加寬加腋，把縱筋進(jìn)行加強(qiáng)并且對(duì)箍筋進(jìn)行加粗加密處理，在歷經(jīng)上述的一系列加強(qiáng)處理后，就能夠滿足結(jié)構(gòu)需求。地下室頂板的設(shè)計(jì)還應(yīng)該依據(jù)房屋的需要，它是不是應(yīng)該考慮防車荷載，假如需要考慮這個(gè)因素，那么就需要使用相對(duì)大的區(qū)隔板來(lái)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)能夠降低上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中需要考慮的因素，直接可依據(jù)常規(guī)的情況考慮上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是施工荷載還是需要考慮的。地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要考慮的一個(gè)非常關(guān)鍵的地方就是地下室外墻，它通常情況下是1m墻體單元，根據(jù)上部的接口和下端固結(jié)的受力狀況而進(jìn)行具體研究。這樣的模型在一般情況下，經(jīng)常會(huì)忽視框架柱的支座功能按照大部分已經(jīng)建好的小區(qū)地下室的觀察在地下室外墻中間產(chǎn)生裂縫的狀況很多，因此地下室外墻的設(shè)計(jì)必須要對(duì)內(nèi)部的分布筋區(qū)域做好加強(qiáng)工作。

高烈度區(qū)的高層房屋的結(jié)構(gòu)體系一般都是以剪力墻結(jié)構(gòu)為主體的。通常的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是把樓梯的部分設(shè)置在靠近墻壁的位置，然后在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候把樓梯間設(shè)計(jì)為剪力墻的結(jié)構(gòu)體系，因?yàn)榧袅Φ膬蛇叢o(wú)樓板連接，所以在結(jié)構(gòu)研究是通常把這種情況視為不可以快速傳遞水平力，也就形成了理論和實(shí)際不符。于是就可以考慮其他方法，也就是把剪力墻撤消，把它變成框架柱,根據(jù)兩個(gè)狀況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。如果想要在相同的建筑方案上保證建筑多面開(kāi)窗的需求，那么就把建筑外壁設(shè)計(jì)成凹凸?fàn)?使它形成局部的對(duì)比，這時(shí)還應(yīng)該把中間的樓板厚度和配筋做一個(gè)加強(qiáng)工作[5]。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最難也是最關(guān)鍵的點(diǎn)就是連梁設(shè)計(jì)，連梁設(shè)計(jì)的計(jì)算模型和它的計(jì)算結(jié)果總是有著不可避免的錯(cuò)誤。連梁設(shè)計(jì)既可以被當(dāng)成是梁?jiǎn)卧斎脒€能夠被當(dāng)成剪力墻開(kāi)洞成果。剪力墻結(jié)構(gòu)通常能夠認(rèn)為連梁的凈跨度與連梁的截面高度的比值若大于5則被稱為弱連梁。這時(shí)能夠使用梁模型輸入;而本文所提到的高烈度區(qū)的強(qiáng)連梁則可以使用剪力墻開(kāi)洞形成為強(qiáng)連梁。一般情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的剪力墻的墻肢長(zhǎng)度最好不要高于8cm,因?yàn)樗贿m合太長(zhǎng)，8cm可作為一個(gè)界限。假設(shè)剪力墻的墻肢長(zhǎng)度太長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致墻體剛度過(guò)大，延性也就越差，在抗震時(shí)發(fā)揮的作用也就不大。如果連梁根據(jù)梁?jiǎn)卧O(shè)計(jì)的時(shí)候很容易就能夠看出連梁的剛度低于墻體單元，那么這時(shí)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移較大連梁配筋相較于墻肢配筋則比較小;若連梁根據(jù)墻體開(kāi)洞輸入，那么連梁是墻體部門的結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大而位移則小，連梁配筋相對(duì)于墻體配筋而言則比較大，與原先剛好相反。當(dāng)?shù)卣鹫娴某霈F(xiàn)的時(shí)候，連梁則是剪力墻結(jié)構(gòu)的首要防御陣地，它可以出現(xiàn)裂縫，因此連梁應(yīng)該設(shè)置小一點(diǎn)比較好，這樣能夠讓剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移。假設(shè)連梁設(shè)置的過(guò)大，此時(shí)就可以想到設(shè)水平縫隙來(lái)處理地震帶來(lái)的損壞。與此同時(shí)連梁的上部還不合適次梁，假如真的無(wú)法解決時(shí)，則應(yīng)該根據(jù)重力荷載作用來(lái)做一個(gè)縱筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題的是連梁的超筋，因此，到底應(yīng)該怎幺來(lái)保證連梁的強(qiáng)剪弱彎，連梁朔性發(fā)展后剩下的構(gòu)件也需要擁有一定的抗震水平，這是非常重要的。第一，要使用調(diào)幅，倘若調(diào)幅不可以符合，那么就減少連梁的截面；假如都不可以通過(guò)計(jì)算，那么連梁兩端在進(jìn)行點(diǎn)絞時(shí)就需要把連梁兩側(cè)的墻體配筋進(jìn)行與之對(duì)應(yīng)的變大;最后，在連梁配筋時(shí)不可以沒(méi)有原由的去擴(kuò)增連梁配筋。

在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)的周圍通常要設(shè)置剪力墻所以不適合設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角陽(yáng)臺(tái)以及轉(zhuǎn)角窗，假如設(shè)計(jì)方案沒(méi)有辦法規(guī)避結(jié)構(gòu)，那么屆時(shí)就破壞了剪力墻結(jié)構(gòu)的連續(xù)性及封閉性，在地震發(fā)生時(shí)，就不能很好的發(fā)揮出抗震作用，對(duì)于抗震是非常不利的。既然這個(gè)方案必須帶有這兩個(gè)結(jié)構(gòu)，那么這時(shí)就可以想其他的辦法來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，可以采用框架梁或是暗梁來(lái)鞏固樓板這個(gè)方法來(lái)加強(qiáng)樓板作用和提升轉(zhuǎn)角窗及轉(zhuǎn)角陽(yáng)臺(tái)兩端墻體的穩(wěn)固性，與此同時(shí)，還要對(duì)樓板加厚配筋雙重進(jìn)行處理。

3 項(xiàng)目的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一個(gè)建筑在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，首先結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師拿到的第一份資料就是地質(zhì)勘察報(bào)告。在對(duì)一個(gè)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要參考周圍建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免不必要的損失。有句話叫做：“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖”我們都知道無(wú)論做什么，打好基礎(chǔ)都是十分重要的[6]。因此在工程設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在它的所有設(shè)計(jì)中都占據(jù)著十分重要的作用而且占據(jù)著工程造價(jià)的較高比重，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)候既要保證質(zhì)量也要保證價(jià)格，做到物美價(jià)廉，這是每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師都應(yīng)該具備的個(gè)人技能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在看過(guò)地質(zhì)勘察報(bào)告后要在第一時(shí)間明確基礎(chǔ)的型式，需不需要思考液化作用。假設(shè)地質(zhì)勘察報(bào)告上展現(xiàn)的地質(zhì)狀況十分可觀那么就可以使用獨(dú)立基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)，這時(shí)就可以盡情展現(xiàn)地基土的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師會(huì)首先考慮地基土的承載力這種基礎(chǔ)型式，基礎(chǔ)埋深達(dá)到要求和承載力需求后，基礎(chǔ)要盡可能的淺埋。假設(shè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)用的是筏板時(shí)，筏板在配筋時(shí)就能夠不去思考裂縫帶來(lái)的不利。若地基承載力不可以達(dá)到上部結(jié)構(gòu)的荷載是可以思考采取樁基礎(chǔ)型式。假設(shè)一項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)存在地下室且上部沒(méi)有塔樓這個(gè)情況時(shí)則需要考慮抗浮設(shè)計(jì)?？垢∷煌ǔＪ前凑盏刭|(zhì)勘察報(bào)告上的情況來(lái)確定的，如若地質(zhì)勘察報(bào)告上不明確，那么則通常是按照室外地坪下0.5m來(lái)考慮的抗浮的，地下室抗浮通常首先考慮的是自重，假若結(jié)構(gòu)的自重不能達(dá)到抗浮的需求，則可以通過(guò)添加配重和設(shè)置抗拔樁這兩種方式來(lái)解決結(jié)構(gòu)不滿足自重的問(wèn)題;另外一個(gè)就是要在設(shè)計(jì)地下室底板時(shí)思考地下水位的作用。

4 結(jié)論

由于城市化進(jìn)程的推進(jìn)，土地資源的占用，目前高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前無(wú)論是民用還是商用都是主要的建筑方式，但是這種方式存在著很大風(fēng)險(xiǎn)，抗震作用差，防風(fēng)險(xiǎn)能力差，因此一旦發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí)，它的破壞性和損壞性是十分巨大的，損失慘重。綜上所述，本文提到的高烈度區(qū)高層房屋建筑如果使用一般的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么它的難度是十分大的，并且結(jié)構(gòu)的整體經(jīng)濟(jì)性也不好，所以，必須要尋找全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。本文就根據(jù)前期設(shè)計(jì)、主體設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)這三個(gè)方面來(lái)詳細(xì)分析和解釋了該怎樣進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先要在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做出判斷，不滿足時(shí)就做出相應(yīng)的措施解決存在的問(wèn)題，并且一定要把抗震放在重中之重，不管怎樣來(lái)說(shuō)，高烈度區(qū)的高層房屋建筑最需要面對(duì)的問(wèn)題就是抗震，抗震是高層建筑中需要解決的首要“敵人”。