抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用

雷超智

北海市祥泰建設工程質量檢測有限公司 廣西 北海 536000

引言

我國在地理位置上來說也是一個多地震的國家，地震區域主要位于中國東部、西部及西南部，也就是地圖上的環太平洋及歐亞兩處的地震帶區域。我國歷史上發生過上千次破壞性地震，其中破壞性強的地震有幾十次。面對日益增長的高層建筑和超高層建筑，為保障人們的生命財產安全，加強抗震設計具有重要意義。

1 高層建筑的震害

1.1 不同烈度地震作用下建筑的震害

表1統計的是1976年的唐山大地震時期該地區的房屋損害程度，并且此時的建筑大部分是高層建筑結構的砌體建筑。由該地區所處的地理位置可知，此地的建筑在設計時能夠承受的地震級別在7級，但實際發生的地震達到了8.5級；表2表示的就是該地區在七級以上地震上面房屋出現的毀壞程度。

表1 建筑的震害統計（%）

表2 7度抗震設防的74年通用住宅震害統計（%）

1.2 不同用途、不同層數建筑的震害

表3為8度地震后不同用途高層建筑震害統計表。由表3可以看出，三種建筑的水平墻間距都比較大，住宅、醫院以及中小學教學樓等建筑遭受損傷的比例遠高于水平墻間距密集的建筑。

表3 住宅、醫院及中小學教學樓震害統計（%）

1.3 不同層數建筑的震害

地震后不同樓層建筑的震害統計見表4。由表4可以看出，在二層、三層及四層以上的樓層建筑時所承受的抗震能力不同，其房屋損害對應數據分別85.9%、91.7%和97.9%。從數據對比中可知，若是建造的房屋樓層越高，對地震的抵抗能力就越弱，房屋被損害的程度也隨著層數的增加而增加。基于此統計結果能夠發現，加強高層建筑的抗震設計尤為重要[1]。

表4 不同層數磚房的震害統計（%）

2 高層建筑結構的主要震害特征、影響因素

2.1 高層建筑的主要震害特征

2.1.1 被破壞的墻體。地震時墻體被破壞主要因素就是強本身所有的抗剪承載力不強，所以面對震害磚墻就無法承受外力的沖撞，出現裂縫。若是墻體在高寬度上的比例接近1，則會使得墻體出現X型裂縫，若是墻體高寬對比值較小，就會在墻體中間開始裂縫，同時在房屋的四個角處受外力出現的是雙向斜裂縫。并且隨著震動越來越劇烈，就會使得建筑結構被破壞的程度越高，最終導致樓房出現坍塌現象。

2.1.2 窗墻和墻垛的損壞。窗間墻因為建造的比較細高，當承受外界的震動及墻體之間的剪力就會出現水平方向的裂縫。

2.1.3 縱橫墻處接連出現裂縫。墻體在內外墻相連接的地方比較薄弱，若是受外力作用就會出現豎向的裂縫，從而導致縱墻墻體結構出現倒塌或者傾斜狀態。

2.1.4 若是樓梯間或者房屋的通道結構受到外力時，就會因為墻本身的承受能力下降出現塌落現象。

2.1.5 也存在部分房屋結構如窗臺或者橫墻門洞等結構處因為外力出現整體性的受損彎曲。

2.1.6 在房屋整體結構中的附加墻體會因震害出現倒塌現象。

2.2 高層建筑抗震性能的影響因素

高層建筑的房屋面對震害出現問題的原因有很多，對各種震害進行總結可歸納為以下兩點：一是在高層建筑的建筑中，其本身墻體沒有足夠的抗剪承載力，使得墻體面對震害的時候容易出現裂縫，從而導致建筑體局部出現塌落；二是建筑整體結構布局不合理，使得內外墻、樓板等等位置的墻體聯系性不高，致使整個房屋對地震沒有抵抗能力，面對震害容易出現墻體的倒塌。所以在后來若要建造高層建筑的房屋，就需要考慮上述兩種因素，使得建筑整體結構得到合理布局，在改善墻體的抗震強度，最終達到抗震的目的。

2.2.1 平面、立面布置是否規則。從震害對高層建筑房屋的損害調查中可知房屋最好還是設計成長方體，這樣受力會比較均勻，不會有太多的薄弱環節，遇到地震受到的損失較少。所以建造高層建筑的房屋時選擇平面結構，其中以矩形結構為最佳，其他平面多多少少會由于扭轉及應力集中等因素導致受到震害的程度增加。若是復雜型的平面結構，則會出現立面震害損失，就如同局部突出的結構，就會因為一點震害受外力影響坍塌。

2.2.2 房屋高度和高寬比。從高層建筑的震害調查中可知，若是高層建筑房屋中沒有鋼筋支撐，樓層越多導致高度越高，最終遭受地震時受到的損失也就越重。從上述的表格4中也能夠知道地震中各種樓層建筑的受害程度。經過抗震規范及其高層建筑的研究分析可知，建造高層的建筑時需要對房屋的高度與寬度進行計算，使得它們保持在一個合理的比例中，從而使得建筑整體能夠增加對震害的抵抗力。

2.2.3 房屋結構體系是否合理。研究房屋體系對地震的抵抗能力可以從高層建筑的房屋入手，從而研究出能夠提升房屋對抗地震的能力。

2.2.3.1 房屋建造采用橫向承重墻體或者縱橫向墻體。對于具有縱墻承載力的高層建筑，由于樓板側面不埋入橫墻，一小部分橫向地震作用通過樓板側面直接傳遞到橫墻，其中大部分通過縱墻和橫墻的接口通過縱墻傳遞到橫墻。震害經驗表明，這種結構體系的房屋能夠在一定程度上抵御地震時刻造成的損害，這是因為此體系側向上很少開孔，使得抗震能力增加。

2.2.3.2 縱橫墻的布局。在建筑中建造縱橫墻的時候需要將墻體結構建造的均勻一些，使得平面及豎向結構上都保證均衡。這是因為磚墻平面的平整減少了磚墻、樓板等位置的受力，從而使得這些位置震害時受損較少。

2.2.3.3 樓梯間結構的設計。設置樓梯間時應該避開建筑的盡端或者轉角，防止出現水平地震時其橫向和縱向兩個方向上的墻體出現裂縫，從而導致房屋的四角也容易遭到破壞。

2.2.4 抗震橫墻間距。高層建筑中磚墻處于平面結構時，其內部能夠承受的抗剪承載力較強，外部與之相反，若是內外墻之間的差距過大，就會使得兩墻之間的樓板受外力產生彎曲。因此，水平墻的最大間距應根據該地區的地震烈度以及建筑物和屋頂的類型加以限制。

2.2.5 局部尺寸是否得到適當控制。在設計房屋的時候，若是其局部尺寸把握不好，就會對局部造成一定的破壞，但不會影響整體結構，不能否認的是，局部出現問題就會使得整個建筑的抗震能力減弱。并且若是重要結構體的局部出現問題，則會產生多米諾骨牌式的連鎖反應，比如每個按鈕都會形成沖破，然后整體坍塌。所以針對房屋的局部尺寸問題我們需要考慮以下四個因素：對承重窗進行設計時需要考慮窗間墻的最小寬度、承重外墻的最外端到達門窗洞邊這段距離的最小值、非承重外墻的外端到達門窗洞邊需要控制的最小距離，以及其內墻體處的陽角處到達門窗洞邊所能設計的最小距離[2]。

3 高層建筑結構設計中的抗震設計優化

3.1 加固層的綜合抗震設計優化

每層的綜合抗震能力指數不應小于1.0，即：經各種加固技術加固的樓層的綜合抗震能力等于或大于《建筑抗震鑒定標準》的要求；某一樓層的綜合抗震能力指標不應超過其下級指標的20%。抗震加固應從提高建筑物整體抗震能力入手，防止抗震加固中局部剛度突變；當上部綜合抗震能力指標超過下部指標20%以上時，應同時提高下一層的抗震能力。由于地震作用是通過各種抗震構件層層傳遞的，上、下層墻體軟弱，形成軟弱層，不利于抗震。

3.2 非承重墻和自承重墻結構抗震設計

非承重墻和自承重墻的抗震能力不能超過同一樓層承重墻的抗震能力。由于承重墻直接承受從樓板傳來的豎向荷載，如地震中的早期破壞，會危及整個房屋的承重重力荷載，這是非常不利的。

3.3 非剛性材料結構抗震設計優化

對于非剛性材料結構的建筑，若是進行抗震建設時只是運用磚柱、縱墻及其墻垛等等建筑結構來抗擊地震，就需要對這些結構進行豎向或者其他結構的支撐構件體系，從而使得各抗震部位得以加固并提升變形抗壓能力；若是非剛性材質的木屋就需要添加大間距的抗震墻，從而增加物體結構的抗震性能，或者最好將木屋蓋換成澆筑的混凝土結構。

3.4 高層建筑結構抗震加固設計優化

3.4.1 針對高層建筑，若是加強抗震能力就需要對建筑結構的不符合要求的墻體進行拆除，或者對出現問題的結構進行修補維護，從而達到增加抗震能力的目的。

3.4.2 若是建筑本身不符合抗震加固的操作，就需要在平面的結構中增加墻體使得建筑結構成為封閉墻體；若是縱橫墻出現連接不暢問題，就需要添加鋼拉桿、長錨桿或者附加柱體積圈梁等結構，達到此墻的抗震目的；若是建筑物中的構件不符合抗震要求，就需要對構件進行修改，或者增加托梁等等來達到對屋面結構的修整；建筑若是出現銹蝕或者構件變樣，就需要對該結構進行圈梁添加操作[3]。

3.4.3 建筑中易倒塌部位的加固方法：承重窗間墻體寬度過小或抗震能力不滿足要求時，可加設鋼筋混凝土窗框或采用面層、板墻加固；隔墻無拉結或拉結不牢時，加鑲邊、預埋鐵套，可采用錨桿或鋼拉桿加固；當支撐梁的墻截面抗震能力不滿足要求時，砌體柱、鋼筋混凝土柱或面層、板墻可加筋：當樓梯間，電梯間和水箱間出屋面不符合鑒定要求的，可采用面層或附加柱加固。樓梯間、電梯間、水箱間上部應與屋面構件可靠連接，下部應與主體結構的加固措施連接；當煙囪、無系桿女兒墻出屋面超過規定高度時，拆除或用型鋼、鋼拉桿加固；滿足要求時，懸臂構件的錨固長度不得超過規定高度，可增加拉桿或減少懸臂長度。

4 結束語

抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用有著十分積極的意義，不僅提高了高層建筑的抗震性能，而且建筑質量也邁上了一個新的臺階，符合新時期人們對高層建筑的使用要求，為建筑行業的發展注入了新的生機和活力。設計人員應明確抗震概念設計原則，在高層建筑結構設計中大力推廣應用抗震概念設計，以打造高水平的建筑工程，為人們創建舒適安全的居住環境。