高層建筑結(jié)構(gòu)分析與抗震設(shè)計(jì)探究

張慶博

沈陽(yáng)都市建筑設(shè)計(jì)有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110000

引言

建筑行業(yè)快速發(fā)展，為適應(yīng)多樣化的建筑功能需求，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜多樣。除傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等基本形式外，超高層建筑、復(fù)雜高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)高層建筑、型鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)高層建筑得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。建筑高度的增加和布置的不規(guī)則性給結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)更多復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，有必要進(jìn)行更系統(tǒng)深入的研究。

1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的在于，在地震災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)，能夠降低災(zāi)害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)并不滿(mǎn)足抗震要求，并且結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，降低了結(jié)構(gòu)的耗能能力。另外，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。

1.2 抗震設(shè)防分類(lèi)的判別

我國(guó)建筑抗震設(shè)防分類(lèi)別為特殊設(shè)防類(lèi)、重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)、適度設(shè)防類(lèi)四個(gè)，而實(shí)際項(xiàng)目中的大部分建筑都屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，規(guī)范中的定義也是大量的除其他三類(lèi)以外的建筑，這類(lèi)建筑我們不在過(guò)多關(guān)注。而特殊設(shè)防類(lèi)、適度設(shè)防類(lèi)我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)時(shí)又極少接觸到，所以在此主要分析工程設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的一些重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)建筑。第一，教育建筑中的幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)樓、宿舍、食堂，醫(yī)療建筑中的二、三級(jí)醫(yī)院均為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)。關(guān)于學(xué)校建筑、醫(yī)療建筑，有些地區(qū)又有地方的特殊規(guī)定，我們?cè)谶M(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)尤其要注意。第二，商業(yè)建筑中人流密集的大型的多層商場(chǎng)抗震設(shè)防類(lèi)別應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)。如何判別是人流密集，條文解釋為指一個(gè)區(qū)段人流5000人，換算的建筑面積約17000m2或營(yíng)業(yè)面積7000m2以上的商業(yè)建筑。一個(gè)區(qū)段，指的是同一建筑功能的相關(guān)范圍，與建筑功能分區(qū)及不同區(qū)段出口有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)是否分縫無(wú)直接的關(guān)系[1]。

2 加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

2.1 依據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范平面及豎向設(shè)計(jì)

平面規(guī)則與建筑物的穩(wěn)定性也存在一定的聯(lián)系，這是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，不宜采用角部重疊或細(xì)腰形的平面布置。因此，結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，避免剛度、質(zhì)量和承載力分布不均勻。對(duì)于有較多凹凸口的復(fù)雜形狀平面要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)或采用一定的補(bǔ)救措施，以最大限度地保證建筑的穩(wěn)定性。對(duì)于抗震高層建筑的結(jié)構(gòu)豎向布置，應(yīng)避免過(guò)大的外挑和收進(jìn)，宜規(guī)則、均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度也應(yīng)該做到上小下大均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。

2.2 傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)注重提高建筑的抗震承載力。目前我國(guó)抗震設(shè)計(jì)一般通過(guò)“二階段”設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)“三水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)。“三水準(zhǔn)”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”，“二階段”即小震作用下彈性計(jì)算和大震作用下彈塑性驗(yàn)算。通過(guò)地震作用計(jì)算可實(shí)現(xiàn)小震和大震水準(zhǔn)下的設(shè)防要求，中震設(shè)防要求通過(guò)抗震機(jī)構(gòu)控制和抗震構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，除根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法及必要的補(bǔ)充時(shí)程分析地震作用計(jì)算外，還應(yīng)注意強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件等內(nèi)力調(diào)整措施和抗震構(gòu)造措施的實(shí)現(xiàn)，確保建筑在較大地震力作用下能夠按照設(shè)計(jì)意圖實(shí)現(xiàn)抗震耗能和關(guān)鍵構(gòu)件的安全[2]。

2.3 合理確定抗震水準(zhǔn)框架

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)首先確定框架的使用需要，通常來(lái)說(shuō)國(guó)外水工建筑物的抗震水準(zhǔn)框架是根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的地震動(dòng)參數(shù)概念，最大設(shè)計(jì)地震（MDE）和基準(zhǔn)地震（OBE）的兩個(gè)參數(shù)，以及水工建筑物的地震要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。大量國(guó)內(nèi)外水工建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，重復(fù)周期為100-200a的OBE通常在設(shè)計(jì)中無(wú)法發(fā)揮良好控制作用。因此，設(shè)計(jì)人員在合理確定抗震水準(zhǔn)框架時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確防震性能定位，以使水工建筑能夠在遭遇到局部地震破壞后可以進(jìn)行修復(fù)。而對(duì)于需要抗震保護(hù)的大型水工建筑物，設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行特殊的地震安全框架設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)需保證水工建筑物在遭受極端地震破壞時(shí)，能夠保證該水工建筑物避免遭受毀滅性破壞，從而保證人類(lèi)財(cái)產(chǎn)與生命的安全，降低二次災(zāi)害出現(xiàn)的可能性，這就需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量模擬實(shí)驗(yàn)，以確保該抗震標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)安全性。

2.4 針對(duì)剪力墻的加強(qiáng)措施

為增強(qiáng)剪力墻的受力性能，改善剪力墻的延性，采取如下措施：①?lài)?yán)格控制加強(qiáng)區(qū)墻體在重力荷載代表值下的軸壓比在0.6以下，對(duì)樓板洞口周邊的剪力墻適當(dāng)加厚。②在較長(zhǎng)墻肢中設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口，以減小單片墻肢的長(zhǎng)度和剛度。③底部加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，提高角部墻體的約束邊緣構(gòu)件配筋率，提高加強(qiáng)區(qū)墻體的承載力和延性。④?chē)?yán)格控制剪力墻截面的剪應(yīng)力水平，適當(dāng)提高底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻水平鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載力。⑤底部樓板洞口周邊剪力墻加強(qiáng)平面外墻肢約束，以提高其墻體穩(wěn)定能力。⑥在不影響建筑功能的情況下，剪力墻設(shè)置邊框柱，并安規(guī)范要求設(shè)置暗梁[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于地震屬于不可抗力的自然災(zāi)害，同時(shí)具備了很強(qiáng)的不可預(yù)估性，一旦有地震災(zāi)害產(chǎn)生，將會(huì)對(duì)建筑以及民眾的個(gè)人安全、財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的影響。因此，為了可以有效降低地震的影響程度，結(jié)構(gòu)工程師在建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要注意多學(xué)習(xí)多思考多總結(jié)，從結(jié)構(gòu)概念到結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置都有清晰的理解，如此才可以將建筑的抗震設(shè)計(jì)落實(shí)到實(shí)際工程項(xiàng)目中，并以此來(lái)確保設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提升，增強(qiáng)建設(shè)物的抗震能力，防止因?yàn)榈卣鸲斐傻膰?yán)重后果。