抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑中的應(yīng)用分析

賈宏宇

（浙江省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江杭州 310014）

前言

高層建筑在人們的生活中較為常見(jiàn)，高層建筑的出現(xiàn)及使用有效地緩和了城市居民的住房問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)及施工，高層建筑的各項(xiàng)性能可以很好地滿足用戶的需求，同時(shí)在智能化設(shè)施的支持下，人們的生活水平可得到較好的提升。對(duì)于高層混凝土建筑而言，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)性影響較大，同時(shí)，如何保護(hù)高層建筑在地質(zhì)災(zāi)害中不被破壞需要設(shè)計(jì)者予以重視。

1 地震對(duì)高層建筑的破壞性

1.1 對(duì)地基的破壞

高層建筑在地震發(fā)生時(shí)，其建筑結(jié)構(gòu)的地基破壞是比較明顯的一種破壞形式，假如建筑設(shè)計(jì)在軟土層上，這樣更會(huì)加重建筑的地基破壞。這是因?yàn)檐浲恋鼗诎l(fā)生地震時(shí)，其主體液化的地基沉降會(huì)加強(qiáng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致建筑的主體性地基結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，這對(duì)于建筑的安全性來(lái)說(shuō)，是比較危險(xiǎn)的一項(xiàng)破壞。由于高層建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是混凝土累積結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在發(fā)生地基沉降的影響下，就會(huì)出現(xiàn)明顯的傾斜，而隨著傾斜程度的不斷增大就會(huì)導(dǎo)致建筑的主體性受到破壞。如果將高層建筑設(shè)計(jì)在比較危險(xiǎn)的地段，這樣就會(huì)使得高層建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)出現(xiàn)主體性不均勻傾斜的現(xiàn)象。甚至還會(huì)出現(xiàn)裂縫，因此，在這種情況下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要注重對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地基的抗震設(shè)計(jì)。

1.2 對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體性破壞

假如高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在其實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是混凝土框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)假如遇到地震就會(huì)導(dǎo)致建筑的整體平面受到影響，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的平面框架發(fā)生位移。另外，由于在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是交叉支柱體系構(gòu)建設(shè)計(jì)，因此，這種建筑設(shè)計(jì)在發(fā)生地震時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的剪切破壞，同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的肢體會(huì)出現(xiàn)窗洞性破壞，由于在實(shí)際建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是剪力墻建筑主體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)，能夠?qū)⒌卣饘?duì)建筑傳遞的能量進(jìn)行發(fā)散，因此，剪力墻在一定程度上減輕了地震對(duì)建筑的主體性破壞。

1.3 對(duì)建筑剛度的破壞

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采用的是矩形平面式設(shè)計(jì)，如果出現(xiàn)了電梯井偏移狀況，會(huì)在一定程度上加劇地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度。這是由于高層建筑結(jié)構(gòu)在其實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)電梯井的設(shè)計(jì)，采用的是剛性設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)形式在其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果發(fā)生地震，就會(huì)導(dǎo)致建筑的電梯井在地基結(jié)構(gòu)的偏移情況下，出現(xiàn)明顯的晃動(dòng)，因此，這也在一定程度上加劇了高層建筑結(jié)構(gòu)在地震來(lái)臨時(shí)的剛度性破壞。由于高層建筑的剛度性破壞受到影響，導(dǎo)致建筑的矩形平面結(jié)構(gòu)，在面臨地震時(shí)，其整體的結(jié)構(gòu)在空間扭動(dòng)的影響下，加深震害影響。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)理

2.1 隔震

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)，主要是指在高層混凝土建筑的下部，設(shè)置相應(yīng)的隔震層。該隔震層在地震的作用力下，產(chǎn)生相應(yīng)的水平變化，讓地震的作用力不會(huì)影響到上部的高層建筑。它能夠讓高層混凝土建筑的上部建筑物與地基之間的共振減少，吸收更多的振動(dòng)能量作用。隔震的主要構(gòu)件分為三個(gè)部分：①鉛制的緩沖性構(gòu)件。該構(gòu)件主要是利用純度較高的鉛材料，在經(jīng)過(guò)塑性變形后制成的構(gòu)件；②鋼制的緩沖性構(gòu)件。該構(gòu)件主要是對(duì)鋼材料進(jìn)行塑性變形后制成的構(gòu)件，能夠起到衰減震動(dòng)的效果；③疊層式橡膠，它是一種把鋼板與厚度數(shù)為毫米的一些橡膠重疊交互接合，在壓力與熱的施加下制成的彈性較高的構(gòu)件。它能夠防止地基出現(xiàn)共振情況，讓高層建筑抗震結(jié)構(gòu)保持著垂直狀態(tài)。

2.2 減震

主要的減震方式有三種：①消能減震。主要是利用高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的附加阻力值，當(dāng)阻力值達(dá)到至高點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的地震作用力減弱。該方式也就是在建筑結(jié)構(gòu)中的一些部位中，設(shè)置上相應(yīng)的耗能元件，在發(fā)生振動(dòng)時(shí)，形成滯回的變形，將能量耗散，如摩擦力的電阻器、金屬的阻力器、粘滯的阻力器等；②蹺動(dòng)式減震。它允許上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)脫離，通過(guò)上部結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)來(lái)隔震。與傳統(tǒng)的隔震技術(shù)的區(qū)別在于，它放松的是轉(zhuǎn)動(dòng)約束而不是水平約束；③機(jī)械式的減震。該方法主要是在高層混凝土建筑內(nèi)部利用鋼支撐，并與外部的鋼管之間不粘結(jié)；或在鋼管混凝土或者外包鋼筋混凝土與鋼支撐之間，進(jìn)行無(wú)粘結(jié)漆的涂抹，形成一定的滑移界面，從而起到減震的效果。

3 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 水平荷載控制

水平荷載決定著高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效果。水平荷載包括風(fēng)荷載和水平地震作用。水平荷載的大小將直接決定了高層建筑的抗震水平。原因在于：①高層建筑物重力荷載以及高層的水平荷載使建筑產(chǎn)生軸力、剪力以及彎矩，其中軸力、剪力與高層建筑物自身高度一次方呈現(xiàn)正比關(guān)系。②水平荷載使高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩，在構(gòu)件中形成的軸力作用將和樓房高度兩次方呈現(xiàn)正比關(guān)系。

3.2 建筑物側(cè)移控制

在高層混凝土建筑中，在水平荷載的作用下建筑結(jié)構(gòu)通常會(huì)出現(xiàn)側(cè)移，而這種側(cè)移也會(huì)隨著樓層數(shù)的增加而逐漸加大。若建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移的尺度過(guò)大，則建筑結(jié)構(gòu)的本身就會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)力。在內(nèi)外力的作用下，偏心力在超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致高層混凝土建筑出現(xiàn)大的位移甚至傾倒。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)在受到地震荷載影響下，會(huì)出現(xiàn)水平的剪切力，也會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生側(cè)移的情況。因而在對(duì)高層混凝土建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度及強(qiáng)度，避免出現(xiàn)側(cè)移情況。

3.3 水平剛度的控制

當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，受地面運(yùn)動(dòng)影響，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)更容易受到水平作用力的影響，出現(xiàn)側(cè)移甚至坍塌情況，這對(duì)高層混凝土建筑橫墻的承載力提出了一定要求。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建筑物結(jié)構(gòu)的水平剛度是最為重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。高層混凝土建筑的樓蓋要把地震的作用力傳遞給橫墻，讓建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗傾覆的力矩，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件內(nèi)形成一定的軸力，從而讓建筑結(jié)構(gòu)的高度與水平力彎矩形成正比，避免發(fā)生側(cè)移甚至坍塌的情況。因而，這就需要注意水平剛度的合理控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代化社會(huì)背景下的建筑行業(yè)發(fā)展中，要全面保障建筑的安全性，應(yīng)在實(shí)際建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)建筑的抗震性設(shè)計(jì)，只有加強(qiáng)對(duì)建筑的抗震性設(shè)計(jì)，才能全面而穩(wěn)定地提升建筑的安全性和實(shí)用性。

[1]滿國(guó)君，付藝璇，姜云鵬.關(guān)于高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析[J].河南科技，2017，23（12）：168～233.

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