凌紹君

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣西南寧市 530011）

基于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的探討

凌紹君

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣西南寧市 530011）

當(dāng)前，我國(guó)高層建筑越發(fā)普遍，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到了業(yè)內(nèi)的廣泛重視。而近年來(lái)，地震等自然災(zāi)害頻發(fā)，高層建筑樓層多、高度高，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，一旦發(fā)生地震，可能會(huì)造成不可挽回的損失，因此其抗震設(shè)計(jì)受到了廣泛關(guān)注。本文將基于高層建筑結(jié)構(gòu)分析其抗震設(shè)計(jì)方法。

高層建筑；結(jié)構(gòu)；抗震；設(shè)計(jì)；地震

前言

我國(guó)建筑行業(yè)快速的發(fā)展，高層建筑建設(shè)數(shù)量不斷增加，其結(jié)構(gòu)體系和平面布局、豎向體型等設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜，加上近年來(lái)地震災(zāi)害頻發(fā)，給我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析提出更高的要求。高層建筑抗震分析作為工程抗震設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，占據(jù)十分重要的地位。要想保證高層建筑結(jié)構(gòu)的安全，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)安全和經(jīng)濟(jì)的雙收，必須做好抗震分析并加強(qiáng)設(shè)計(jì)工作。

1 地震影響下高層建筑結(jié)構(gòu)破壞的特點(diǎn)

近年來(lái)，各地地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，通過(guò)對(duì)地震資料進(jìn)行分析后得知，處于靜荷載下的建筑結(jié)構(gòu)，其受力合理，而一旦發(fā)生地震，則會(huì)由于受力不合理而受到破壞，其原因是地震的影響下，建筑物動(dòng)力反應(yīng)具有特殊性，具體表現(xiàn)如下：

1.1 地基

部分場(chǎng)地具有較厚的軟弱沖擊土層，此時(shí)高層建筑地基破壞了明顯增高。由于地基土液化造成地基出現(xiàn)不均勻沉降，最終導(dǎo)致建筑上部結(jié)構(gòu)損害甚至整體傾斜。高層建筑位置若處于不利或危險(xiǎn)地段，會(huì)由于地基破壞而導(dǎo)致房屋整體結(jié)構(gòu)破壞。一旦建筑結(jié)構(gòu)基本周期和場(chǎng)地的自振周期趨于相同，則會(huì)由于共振效應(yīng)導(dǎo)致破壞程度加重。

1.2 結(jié)構(gòu)體系

高層建筑一般采用框架或框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架的結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端部位容易產(chǎn)生剪切破壞，在窗洞位置的外墻框架柱由于受到窗下墻體的約束容易產(chǎn)生短柱型剪切破壞。若高層建筑采用抗震墻結(jié)構(gòu)，其破壞的程度較輕；若采用底框結(jié)構(gòu)，其剛度柔弱的底層則會(huì)受到嚴(yán)重的破壞；若采用框架結(jié)構(gòu)，建筑底層若為敞開(kāi)式的框架間，且未砌磚墻，其底層也會(huì)受到嚴(yán)重破壞；若采用鋼筋混凝土柱、板的結(jié)構(gòu)體系，由于樓板的沖切或由于樓層發(fā)生較大側(cè)移，導(dǎo)致柱腳破壞，各層的樓板會(huì)發(fā)生墜落甚至重疊在地面上。

1.3 剛度分布

若建筑物結(jié)構(gòu)以矩形平面布置，電梯井等抗側(cè)力構(gòu)件在布置過(guò)程中一旦存在偏心，則會(huì)由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)導(dǎo)致地震災(zāi)害加重；若采用L形、三角形等不對(duì)稱的平面建筑結(jié)構(gòu)，也會(huì)由于地震影響產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)最終導(dǎo)致災(zāi)害加重。

1.4 構(gòu)件形式

在框架建筑結(jié)構(gòu)中，相比于梁、板，柱的破壞程度更大；鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中，窗下墻通常會(huì)產(chǎn)生交叉/斜向裂縫；若混凝土柱中配置螺旋箍筋，一旦層間的位移角數(shù)值較大，核心的混凝土依然完好，鋼筋柱抵抗能力較強(qiáng)，但若在同一樓層存在長(zhǎng)短柱并用的情況，則會(huì)導(dǎo)致短柱受到相對(duì)嚴(yán)重的破壞。

1.5 房屋體形

若建筑的平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則，如T形、L形、Y形等，其在地震影響下的破壞率較高。若高層建筑底盤加大，裙房頂面和主樓相接位置的面積突然減小的樓層，由于相鄰的樓層間產(chǎn)生較大的質(zhì)量突變，往往會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的破壞。若高層建筑的防震縫寬度設(shè)置較小，則會(huì)導(dǎo)致建筑物之間產(chǎn)生碰撞破壞；樓層的平面形心和重心的偏移距離越大，震害導(dǎo)致的破壞越嚴(yán)重。

2 抗震的等級(jí)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的影響

所謂震級(jí)，主要是按照地震的強(qiáng)度以劃分的。我國(guó)將地震劃分為6個(gè)等級(jí)：3級(jí)及以下為小地震，3～4.5級(jí)稱為有感地震，4.5～6級(jí)稱為中強(qiáng)地震，6～7級(jí)稱為強(qiáng)烈地震，7～8級(jí)稱為大地震，8級(jí)及以上稱為巨大地震。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)而言，可將建筑抗震等級(jí)劃分為四個(gè)類別，分別是甲、乙、丙、丁。一般來(lái)說(shuō)，我國(guó)的房屋建筑抗震等級(jí)為8度，能夠有效抵抗6級(jí)地震的影響。國(guó)家建筑設(shè)計(jì)部門根據(jù)相關(guān)規(guī)定，配合建筑物的分類以及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)實(shí)際房屋高度與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)高層建筑采用不同的抗震等級(jí)。例如，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑抗震等級(jí)能夠分為一般、較嚴(yán)重、嚴(yán)重以及很嚴(yán)重等4個(gè)等級(jí)。在高層建筑抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要按照建筑的高度、結(jié)構(gòu)以及設(shè)防烈度等參數(shù)確定混凝土所采取的抗震等級(jí)，同時(shí)要確保符合計(jì)算結(jié)果以及技術(shù)要求。

3 高層建筑的抗震設(shè)計(jì)方法分析

在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，分別是減小地震的作用力輸入以及增強(qiáng)地震的抵抗力，做好建筑抗震設(shè)計(jì)與施工。高層建筑抗震設(shè)計(jì)的方法主要有五個(gè)方面，具體如下：

3.1 盡量減少地震發(fā)生過(guò)程中的能量輸入

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要采用以位移為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)抗震方法，定量分析實(shí)際設(shè)計(jì)方案，確保結(jié)構(gòu)的變形彈性能夠滿足預(yù)期的地震作用力變形要求。在進(jìn)行建筑構(gòu)件承載力驗(yàn)收的過(guò)程中，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震作用下的層間位移限值，同時(shí)按照建筑物構(gòu)件變形以及結(jié)構(gòu)位移的實(shí)際關(guān)系，對(duì)構(gòu)件變形值進(jìn)行確定。按照建筑物界面應(yīng)變的分布規(guī)律和大小，確定建筑物構(gòu)件的構(gòu)造需求。針對(duì)高層建筑而言，需選擇堅(jiān)固場(chǎng)地進(jìn)行施工，從而能夠有效的減小地震發(fā)生時(shí)的能力輸入，適當(dāng)減小地震的破壞。

3.2 采取高延性的設(shè)計(jì)，運(yùn)用消震、隔震措施

在大部分高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，一般采用延性結(jié)構(gòu)，從而對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行一定的控制，保證在地震時(shí)建筑物構(gòu)件能夠具有較大延性呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，以消耗地震產(chǎn)生的能力，降低地震造成的高層建筑結(jié)構(gòu)破壞。若高層建筑承載能力小，但延性較高，其在地震中則不易發(fā)生倒塌。原因在于延性構(gòu)件能夠吸收能量，有效的避免建筑結(jié)構(gòu)變形，可見(jiàn)延性結(jié)構(gòu)能夠有效的減小地震反應(yīng)。21世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)建筑物抗震能力越發(fā)重視，并對(duì)其進(jìn)行一定的研究并取得了相應(yīng)的效果，例如：近年來(lái)阻尼器在我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。借助阻尼器的使用以減少震動(dòng)，能夠巧妙的減弱地震能量對(duì)高層建筑物的破壞。

3.3 做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于高層建筑的設(shè)計(jì)人員而言，需要尤其重視其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在我國(guó)，超過(guò)150m的建筑物，一般采用3種結(jié)構(gòu)體系，分別是框-筒、筒中筒以及框架-支撐體系，且這三種體系在其他國(guó)家中也應(yīng)用廣泛。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可將傳統(tǒng)硬性為主的抗震模式逐漸還變?yōu)橐匀嵝詾橹鞯目拐鸾Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)岵?jì)的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保地震作用時(shí)釋放出的沖擊力得以減弱。

3.4 做好建筑選材工作

我國(guó)的鋼材生產(chǎn)行業(yè)規(guī)模較大，鋼結(jié)構(gòu)加工制造的能力也居世界前列，所以在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以盡量采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土柱或鋼結(jié)構(gòu)等，從而縮小柱斷面的尺寸，保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能得以改善。在高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須做好建筑材料的選擇工作。首先，要分析建筑材料的各項(xiàng)參數(shù)，尤其是其抗震性能，不可只考慮材料的承載力忽略材料其他的參數(shù)。對(duì)于抗震設(shè)計(jì)，需要保證建筑材料符合結(jié)構(gòu)的延性需求。

3.5 增加抗震防線

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可設(shè)置多條抗震防線，從而增強(qiáng)建筑工程對(duì)于地震的抵抗力。通過(guò)設(shè)置多層抗震防線，即便第一道防線受到了地震的破壞，高層建筑結(jié)構(gòu)中仍然具有第二道、第三道甚至更多的防線以抵抗地震的作用力，從而防止高層建筑物發(fā)生倒塌。在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可選用具備多肢節(jié)或壁式框架的剪力墻結(jié)構(gòu)以達(dá)到防震的目的。框架剪力墻結(jié)構(gòu)屬于十分典型的多道防線抗震結(jié)構(gòu)，剪力墻是其第一道防線，屬于結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，因此需要設(shè)置足夠多的剪力墻結(jié)構(gòu)以確保建筑的整體承受能力。

3.6 采取加固設(shè)計(jì)

要想保證高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的能力得以有效的提升，需要按照建筑結(jié)構(gòu)的具體情況進(jìn)行一定的加固處理，在進(jìn)行加固處理的過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

①針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷的結(jié)構(gòu)，要根據(jù)具體情況增加加固構(gòu)件，還可采用具備高抗震性能的構(gòu)件以代替原有的構(gòu)件。②要想提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，則可增設(shè)構(gòu)件或擴(kuò)大原截面，采取設(shè)置套箍的方式以做好加固工作。③許多建筑結(jié)構(gòu)的整體性并不能達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整以分散地震的作用力，適當(dāng)?shù)臏p少結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于高層建筑中那些和建筑結(jié)構(gòu)不相關(guān)的構(gòu)件，可能會(huì)由于地震倒塌導(dǎo)致危害，因此需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)加固。

3.7 對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行控制

對(duì)于高層建筑的整體抗震能力而言，其結(jié)構(gòu)變形對(duì)抗震能力有著直接影響。若發(fā)生地震時(shí)，建筑物在水平震動(dòng)作用力下發(fā)生側(cè)移，導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)被破壞。所以，需要做好建筑結(jié)構(gòu)類型的考察工作，繼而針對(duì)性的采取加固措施以盡可能減少建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的變形。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，對(duì)高層建筑損壞程度評(píng)估時(shí)，間層側(cè)移的角度是十分重要的指標(biāo)，因此國(guó)家對(duì)其具有明確規(guī)定。要采取一定的措施以控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，一般可通過(guò)減小框架的柱距和梁距、采用彎-剪雙重抗側(cè)力體系、設(shè)置剛臂、豎向支撐的交錯(cuò)布置、變平面構(gòu)件為立體構(gòu)件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與抗震、利用傾斜立面，扭轉(zhuǎn)體型、采用雙曲線圓筒以及加大房屋的有效寬度等方法以控制側(cè)移。

4 總結(jié)

近年來(lái)，建筑行業(yè)逐漸邁入新時(shí)期，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，必須做好其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保新型建筑結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)符合建筑工程使用及美感要求。在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)建筑物的具體情況做好抗震設(shè)計(jì)，分析地基承載力等參數(shù)，做好建筑結(jié)構(gòu)材料的選材工作，并做好加固設(shè)計(jì)，以保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)符合要求，確保建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)輕易受到地震災(zāi)害的破壞。

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TU973

A

1673-0038（2015）52-0068-02

收稿日期：2015-12-14

凌紹君（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。