高層建筑抗震設(shè)計(jì)分析

姜洋

（福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)分析

抗震設(shè)計(jì)理念在建筑設(shè)計(jì)過程中尤為重要。高層建筑中的抗震措施、抗震計(jì)算均屬于抗震設(shè)計(jì)中需要分析的內(nèi)容。建筑設(shè)計(jì)人員在對(duì)高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮各種地震過程中不確定因素，相關(guān)建筑設(shè)計(jì)人員要全面掌握抗震結(jié)構(gòu)原理與建筑材料性能，在此基礎(chǔ)上利用相關(guān)的理論知識(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),以此確?？拐鹦阅芰己?。

在鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)的重要性不言而喻。在設(shè)計(jì)初期階段，要考慮建筑物結(jié)構(gòu)類型、建筑物高度、抗震設(shè)防類別、地震烈度分類等因素，從而選擇與之相適應(yīng)的抗震等級(jí)，并且必須與相應(yīng)的構(gòu)造要求相匹配。更值得一提的是，在確定鋼筋混凝土主體構(gòu)件抗震等級(jí)時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足如下要求：如果是框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在水平地震力作用下，底部承擔(dān)的傾覆力矩/總傾覆力矩≥50%，則抗震等級(jí)宜按照框架確定；當(dāng)建筑物有較大裙房時(shí)，并且與主體結(jié)構(gòu)相連，抗震等級(jí)需要按照裙房確定，除此之外，裙房的抗震等級(jí)≥主樓的抗震等級(jí)；若是二者不相連，則抗震等級(jí)可直接按照裙房的確定；當(dāng)主體結(jié)構(gòu)的嵌固部位為地下室的頂板時(shí)，地下一層的抗震等級(jí)可以與主體結(jié)構(gòu)相同。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主體設(shè)計(jì)工作不僅復(fù)雜而且系統(tǒng)，由于其中設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)繁多且冗雜，每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須細(xì)致且謹(jǐn)慎，因?yàn)橐坏┮粋€(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)影響整體建筑的安全性與穩(wěn)定性。因此在實(shí)際工程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)熟悉掌握各種設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并合理運(yùn)用，最終才能保證滿足現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

2 高層建筑設(shè)計(jì)原則

只有科學(xué)、真實(shí)、全面地考量影響高層建筑抗震效果的因素，設(shè)計(jì)師才能夠針對(duì)性地對(duì)高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，才能保證其穩(wěn)定的抗震效果。

2.1 規(guī)整性原則

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步階段，建筑設(shè)計(jì)人員需先計(jì)算建筑物抗側(cè)力性能，更合理的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，會(huì)使建筑結(jié)構(gòu)受力更均勻，建筑物的抗震性能更穩(wěn)定。同時(shí)要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度變化均勻。考慮以上因素，就要保證建筑物造型平面立面盡量對(duì)稱。此外，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要符合建筑物所在地區(qū)的震級(jí)要求。

2.2 剛度原則

地震等次生災(zāi)害來臨時(shí)，建筑物受到外力的作用，要有合理的剛度來保證建筑結(jié)構(gòu)滿足抗震要求。如果建筑物剛度不符合規(guī)范要求,建筑會(huì)受到嚴(yán)重的損壞。但如果剛度高于規(guī)范要求，建筑抗震構(gòu)件因受到不均勻地震作用而造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂，很容易造成建筑物失穩(wěn)，因而在設(shè)計(jì)工作中要做到建筑構(gòu)件剛?cè)峤Y(jié)合，避免建筑物在地震力的作用下因脆性破壞而瞬間坍塌。

2.3 科學(xué)性原則

建筑物抗震效果很大程度取決于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，建筑物抗震設(shè)計(jì)必須要遵守科學(xué)性和合理性，才能使建筑物抗震性能既經(jīng)濟(jì)又可靠。建筑物結(jié)構(gòu)宜簡單規(guī)整，如果過于復(fù)雜，則荷載分布不均勻并且集中荷載相對(duì)較大，地震會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成更大的破壞。所以，建筑物在進(jìn)行平面設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量剛度、質(zhì)量分布均勻，從而提高建筑物的抗震效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考量建筑物的鞭梢效應(yīng)。建筑物超出屋面的高度不宜過高，要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。如果平面不規(guī)則設(shè)計(jì)不可避免，則要著重計(jì)算離建筑物剛心較遠(yuǎn)處剪力墻的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)策略分析

3.1 建筑物自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先要選擇合理的結(jié)構(gòu)方案體系，在高層建筑設(shè)計(jì)中選擇科學(xué)合理的抗震措施,建筑物的抗震能力會(huì)更加的優(yōu)越。豎直結(jié)構(gòu)的垂直方向重力可以使橫向壓應(yīng)力穩(wěn)定。要保證其豎向構(gòu)件有著清晰的傳力途經(jīng)，保證其屬相構(gòu)件的承載力和穩(wěn)定性。

在地震烈度較高的地區(qū)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在選擇建筑材料和結(jié)構(gòu)體系上會(huì)格外地謹(jǐn)慎。在我國，高層建筑和超高層建筑主要應(yīng)用三種結(jié)構(gòu)體系，分別是框筒結(jié)構(gòu)、筒中簡結(jié)構(gòu)、框架支撐結(jié)構(gòu)。上個(gè)世紀(jì)80 年代，磚混結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用非常廣泛，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐漸替代了磚混結(jié)構(gòu)，但這兩種結(jié)構(gòu)不適合應(yīng)用在超高層建筑上，而且在大震作用下，無法抵抗。在我國高層建筑結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)多采用框架-核心筒體系，這種結(jié)構(gòu)體系經(jīng)濟(jì)合理，不僅用鋼量相對(duì)節(jié)省，而且梁柱截面相對(duì)較小，節(jié)省材料，所以被建設(shè)單位甲方所廣泛采用。對(duì)于混合結(jié)構(gòu)，地震剪力大部分作用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒上，主側(cè)移以彎曲變形為主，因?yàn)殇摽蚣軜?gòu)件的剛度較小，所以其側(cè)移較大，因此混合結(jié)構(gòu)位移不得超過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移限值。最常用的解決辦法就是增加混凝土內(nèi)筒的剛度以及設(shè)置懸臂的桁架結(jié)構(gòu)體系，這樣剛度才可以滿足規(guī)范限值。轉(zhuǎn)換層要設(shè)置在結(jié)構(gòu)體系剛度或柱距發(fā)生明顯變化的部位。但設(shè)置加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層會(huì)大大提高本層結(jié)構(gòu)剛度，造成剛度突變，從而導(dǎo)致與加強(qiáng)層、轉(zhuǎn)換層相連接的框架柱剪力突變。而強(qiáng)柱弱梁的原則，在加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件及轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外部框柱連接位置則無法滿足。因此，在設(shè)計(jì)最初階段，必須科學(xué)、合理、謹(jǐn)慎地選擇結(jié)構(gòu)形式體系，盡量有效降低轉(zhuǎn)換層及加強(qiáng)層剛度，比如采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)的伸臂構(gòu)件及轉(zhuǎn)換構(gòu)件，來減少剛度突變的不利影響。當(dāng)混合結(jié)構(gòu)高度較高時(shí)，因?yàn)殇摽蚣懿馁|(zhì)自重較輕，且柔性較大，為了使風(fēng)振作用的不利影響減弱，多采用鋼骨混凝土和鋼管混凝土構(gòu)件。

近年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，耗能減震技術(shù)逐漸運(yùn)用在高層建筑中，在設(shè)計(jì)時(shí)采用高延性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，適度結(jié)構(gòu)的剛度，在地震發(fā)生時(shí)，可以使結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)人高延性的塑性狀態(tài)，大量的吸收地震能量，從而減少對(duì)建筑物有害的地震反應(yīng)，削弱地震的破壞。延性構(gòu)件在大震時(shí)可以吸收較多的地震能量，并且自身可承受較大的結(jié)構(gòu)變形，因此這種結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用越來越廣泛。2000 年以后，人們對(duì)防屈曲耗能支撐及隔震支座的應(yīng)用進(jìn)行了大量廣泛和深入的研究，這些耗能構(gòu)件可以吸收大量的地震能量，從而減小地震反應(yīng)對(duì)建筑物重要構(gòu)件的破壞。其中隔震支座以基礎(chǔ)隔震應(yīng)用最為廣泛。防屈曲耗能支撐的橫縱向構(gòu)造圖如圖1、圖2 所示。基礎(chǔ)隔震示意圖如圖3 所示。

圖1 防屈曲耗能支撐的橫向構(gòu)造

圖2 防屈曲耗能支撐的縱向構(gòu)成

圖3 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 建造材料

建筑物抗震效果，建筑材料在很大程度上會(huì)影響建筑物抗震效果。而抗震設(shè)計(jì)在材料上的選擇需要綜合考慮選成本、剛度、延性等因素。常用建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要求為：

⑴為滿足抗震設(shè)計(jì)的要求，砌體結(jié)構(gòu)需要按照規(guī)范規(guī)定設(shè)置保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的圈梁與構(gòu)造柱；

⑵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要對(duì)抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸有合理的選擇，并且保證相應(yīng)的配筋率,不能少筋多筋，使結(jié)構(gòu)發(fā)生的剪切破壞與脆性破壞；

⑶大跨度結(jié)構(gòu)下選擇預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，并按計(jì)算結(jié)果配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3.2.1 鋼筋

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該遵循鋼筋自身的性能來選取鋼筋的型號(hào)和強(qiáng)度等級(jí)，縱向受力鋼筋選擇型號(hào)HRB400 或者HRB500；在受力構(gòu)件比如而梁、柱、斜撐中，縱向受力鋼筋選用HRBF400 或者HRBF500；若需要選取預(yù)應(yīng)力鋼筋，宜選高強(qiáng)度鋼絞線或預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。HRB系列中的普通熱軋帶肋鋼筋延性良好、可焊接性強(qiáng)、機(jī)械連接性能牢固，可使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主體的強(qiáng)度增強(qiáng)，所以被廣泛采用。而且，為了滿足建筑物抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范要求，鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的保證率不得低于95%。

3.2.2 混凝土

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)用正方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定混凝土抗壓強(qiáng)度；建筑物結(jié)構(gòu)的混凝土，強(qiáng)度等級(jí)不得低于C15，如果建筑結(jié)構(gòu)所選取的鋼筋強(qiáng)度等級(jí)全部≥400MPa 時(shí)，所選取的混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不得低于C25。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中如有構(gòu)件承受重中荷載，選取的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C30。

3.3 建筑環(huán)境

如果建筑物選址位于地表容易相對(duì)錯(cuò)動(dòng)地理環(huán)境中，就極易受到山崩或滑坡等次生災(zāi)害的破壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要結(jié)合地勘報(bào)告謹(jǐn)慎選擇抗震場地，盡量避免選取抗震不利地段，盡量避免軟土地帶。若場地選取不當(dāng)，會(huì)增大建筑物坍塌風(fēng)險(xiǎn)。若無法避讓時(shí)，應(yīng)做好地基加固工作，降低地震對(duì)建筑物的破壞。

3.4 設(shè)多道抗震防線

在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要設(shè)置多道抗震防線，并且要符合大震不倒、中震可修、小震不壞的抗震設(shè)防原則，進(jìn)而減少高層建筑受地震作用坍塌的情況發(fā)生。剪力墻之間較大洞口的長度與屋蓋的長度比應(yīng)按照表1 進(jìn)行。

表1 剪力墻洞口與屋蓋長度比值

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作相比結(jié)構(gòu)初設(shè)計(jì)，更為冗雜系統(tǒng)。每一個(gè)建筑物本身都是一個(gè)從上到下的完整結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。平立面選擇上，要規(guī)整合理簡單，這是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否的基礎(chǔ)。建筑物造型越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的建筑成本越高。所以，合理結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接影響建筑物的造價(jià)成本。比如：因?yàn)槠胀ǘ讨袅Φ暮摿枯^高，設(shè)計(jì)人員通過選擇合理布置普通剪力墻可以適當(dāng)降低成本。而穩(wěn)定的基礎(chǔ)形式，不僅能降低基礎(chǔ)造價(jià)，而且可以提高上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)形式不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)也就不同。例如，剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻鋼筋量/上部結(jié)構(gòu)鋼筋量＞60%，則結(jié)構(gòu)優(yōu)化要重點(diǎn)考量剪力墻；而框架結(jié)構(gòu)中，梁的鋼筋用量/整體結(jié)構(gòu)中＞55%，所以梁是框架結(jié)構(gòu)中優(yōu)化的重點(diǎn)。

5 結(jié)語

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，土木行業(yè)蓬勃發(fā)展，我們更要注意地震對(duì)建筑物帶來的影響，要不斷降低地震對(duì)建筑物的破壞。這意味著我們要加強(qiáng)建筑物抗震設(shè)計(jì)，合理選取結(jié)構(gòu)體系，全面考量建筑環(huán)境與建筑材料，設(shè)置多道防線來提高建筑物的抗震性能。