試論我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

王強(qiáng) 田炳濤

摘 要：高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)如今受到了廣泛的關(guān)注。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容以及地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)，并探討我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);抗震設(shè)計(jì)

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容

一般情況下，強(qiáng)大的地震作用會(huì)使高層建筑物的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性狀態(tài)，為確保地震作用下結(jié)構(gòu)性能可以達(dá)到實(shí)際要求，就要將結(jié)構(gòu)彈塑性變形能力納入到高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中去考慮。從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)抗震設(shè)計(jì)研究的發(fā)展趨勢(shì)來看，主要圍繞著不同超越概率水平地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的變形要求和性能要求做出合理的設(shè)計(jì)。其中，結(jié)構(gòu)的彈塑性分析是抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，因其具有一定的難度及復(fù)雜性，所以對(duì)如何設(shè)定與計(jì)算等一些問題也各有不同的要求。

2 地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)

2.1 地基方面

一是高層建筑在具有較厚軟弱沖積土層場(chǎng)地會(huì)明顯增高破壞率;二是在不利或危險(xiǎn)地段所建筑的高層建筑，由于地基被破壞而受到損壞;三是由地基土液化而引起地基沉降不均勻的現(xiàn)象，致使上部結(jié)構(gòu)開始整體傾斜或損壞的較為嚴(yán)重;四是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場(chǎng)地自振周期相近時(shí)，因共振效應(yīng)的破壞程度將加重。

2.2 結(jié)構(gòu)體系方面

一是采用的房屋結(jié)構(gòu)為“填墻框架”，而鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端容易有剪切破壞發(fā)生，因窗下墻的約束使得外墻框架柱有短柱型剪切型破壞發(fā)生;二是房屋如果采用的是“底框結(jié)構(gòu)”體系，底層剛度柔弱，會(huì)被嚴(yán)重的破壞。如果房屋采用的是“填墻框架”體系，底層為敞開式框架間未砌磚墻，那么底層同樣被破壞的非常嚴(yán)重;三是房屋結(jié)構(gòu)采用抗震墻體系，其破壞程度不大;四是對(duì)于采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑來說，由于樓層出現(xiàn)了較大的側(cè)移或是樓板沖切方面的原因，導(dǎo)致柱腳破壞，各層樓板墜落重疊于地面上。

2.3 房屋體形方面

一是不規(guī)則的平面房屋建筑（包括L形、Y形、T形），它們的破壞率在明顯提高;二是有的高層建筑有大底盤，對(duì)于突然減小裙房頂面與主樓相接處面積的樓層，也就是指相鄰樓層發(fā)生較大的質(zhì)量突變情況時(shí)，會(huì)加重破壞程度;三是樓層平面形心偏移重心越大，震害的嚴(yán)重性就越大;四是由于設(shè)置的防震縫寬度太小，所以導(dǎo)致建筑物間發(fā)生碰撞破壞。

2.4 構(gòu)件形式方面

一是在整個(gè)框架結(jié)構(gòu)中，柱的破壞程度通常比梁、板的破壞程度要高;二是混凝土柱上配置螺旋箍筋，當(dāng)層間位移角的數(shù)值較大時(shí)，仍保持核心混凝土完好，柱的抵抗能力仍然較大;三是鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻一般有斜向或交叉裂縫產(chǎn)生;四是如果鋼筋混凝土框架在同一樓層同時(shí)使用了長(zhǎng)、短柱，則破壞較嚴(yán)重的是短柱。

3 我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法

3.1 選擇的地理位置必須具有合理性

在不同的建筑施工場(chǎng)地工程地質(zhì)條件下，地震對(duì)建筑物也會(huì)造成不同的破壞。為此，施工企業(yè)在建設(shè)高層建筑工程項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)先選擇合適的場(chǎng)地，要求場(chǎng)地對(duì)抗震是有利的，施工建設(shè)應(yīng)該盡可能的避開抗震不利場(chǎng)地，有利于地震災(zāi)害問題得以減輕。在高層建筑施工前，先要勘察工程地質(zhì)問題，利用科學(xué)的解決措施應(yīng)對(duì)地質(zhì)問題。針對(duì)不利工程地段來說，需要對(duì)那些因場(chǎng)地條件而破壞結(jié)構(gòu)的因素全面考慮。此外，在工程施工地區(qū)除了考慮地震因素的限制，也要進(jìn)一步排除不利場(chǎng)地和危險(xiǎn)性場(chǎng)地作為建筑施工用地。高層建筑在施工過程中，要結(jié)合場(chǎng)地、地基因素等對(duì)建筑物能夠承受的抗震破壞作用大小及其特征來分類，遵循不同場(chǎng)地的特點(diǎn)采取合理的抗震對(duì)策。結(jié)構(gòu)工程師在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先要提出的就是避開不利地質(zhì)環(huán)境，比如，根據(jù)抗震設(shè)防類別、地基液化等級(jí)等幾方面因素來加強(qiáng)地基結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的剛度，使地基液化沉陷現(xiàn)象可以徹底消除。

3.2 分體柱的有效利用

短柱的抗彎承載力大于抗剪承載力，地震的作用下因剪壞而失效，所以不能完全發(fā)揮其抗彎強(qiáng)度。因此，短柱的抗彎強(qiáng)度可以通過人為地削弱，使抗彎強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，或者比抗剪強(qiáng)度略低一點(diǎn)，這樣在地震的作用下，柱子可以先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，呈現(xiàn)延性的破壞狀態(tài)。一般來說，通過利用人為削弱抗彎強(qiáng)度這一辦法可以在柱中沿豎向設(shè)縫，再將短柱分成各柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋在組成分體柱的柱肢之間可以有一些必要的連接鍵設(shè)置其中，使它的初期剛度和后期耗能能力得到明顯的增強(qiáng)。一般連接鍵的形式主要有：預(yù)制分隔板、通縫、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、混凝土連接鍵等。經(jīng)過分析分體柱工作性態(tài)得知：采用分體柱的這一方法盡管能使柱子的抗剪承載力基本保持不變，并稍微降低了抗彎承載力，但是卻能顯著的提高柱子的變形能力和延性，其破壞形態(tài)由剪切型向彎曲型轉(zhuǎn)化，短柱變“長(zhǎng)柱”的設(shè)想由此實(shí)現(xiàn)，促使短柱尤其超短柱的抗震性能得到有效的改善。

3.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該遵循的設(shè)計(jì)原則是對(duì)稱均勻的原則。從綜合抗震能力概念方面來看，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要衡量建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和承載力對(duì)于抗地震作用的大小。高層建筑物在地震時(shí)受到地震作用的大小程度與建筑物的動(dòng)力特性、剛度合理性、承載力分布、延性等有密切關(guān)系，建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及空間剛度大小決定著高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的大小。為了提高高層建筑物的抗震性能，應(yīng)確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的所有構(gòu)件都有較高的延性，通過屋蓋、現(xiàn)澆樓等方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空間剛度和整體穩(wěn)定性。另外，為了提高結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，還應(yīng)該合理設(shè)置配筋圈梁，進(jìn)而增強(qiáng)高層建筑的抗震性能，結(jié)構(gòu)主要通過延性作用使得建筑物在大地震的作用下有非彈性變形發(fā)生。因此，在地震的作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性有著相同的重要性。為保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)在地震的作用下具有一定的延性，需要將塑性變形集中于延性能力良好的構(gòu)件上。

總之，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的問題就是安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前，我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在抗震設(shè)計(jì)方面還有不足之處，由此就需要做好選材工作，分析地基承載力等參數(shù)，確保建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)能達(dá)到要求。

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