張麗英 菏澤市排水服務(wù)中心

1 前言

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展帶來了我國建筑結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，人們對(duì)高層混凝土建筑抗震性的需求越來越大，如何進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為擺在領(lǐng)域從業(yè)者面前的重難點(diǎn)問題。本文對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行了分析，將地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與具體實(shí)踐相結(jié)合，從而為相應(yīng)問題的解決提供了一定建議。地震對(duì)高層混凝土建筑的破壞可分為四大方向，地基破壞、結(jié)構(gòu)體系破壞、剛度破壞、構(gòu)件破壞。若建筑整體處于柔弱土層上，則易發(fā)生地基破壞，這是由于地震中土體液化會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降的發(fā)生，致使高層混凝土建筑上部出現(xiàn)傾斜、地基發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，同時(shí)使建筑物產(chǎn)生裂縫。而結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地周期相一致時(shí)更會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞狀況發(fā)生。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則

2.1 建筑結(jié)構(gòu)合理性原則

在實(shí)際建設(shè)過程中，設(shè)計(jì)人員需要有效結(jié)合目前建筑物的真實(shí)情況，選擇較為合理的構(gòu)建方式。一般來說，設(shè)計(jì)人員在確定整體結(jié)構(gòu)之后，采用系統(tǒng)化的方法分析結(jié)構(gòu)。不同的建筑物之間存在差異，建筑物的構(gòu)件也會(huì)存在一定的差異，但是在實(shí)際選擇過程中，設(shè)計(jì)人員必須按照結(jié)構(gòu)合理性原則來選擇。建筑物自身能夠?qū)σ徊糠謩偠容^差的梁體結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定支撐作用，部分需要承受豎向荷載的構(gòu)件不能轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪軜?gòu)件，這是因?yàn)樨Q向結(jié)構(gòu)十分脆弱，容易產(chǎn)生受力不均勻的情況，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，部分位置容易坍塌。

因此，所有構(gòu)件都應(yīng)該具有很強(qiáng)的延性，設(shè)計(jì)人員不僅要考慮工程近況，還要充分考慮工程后續(xù)發(fā)展情況。

2.2 建筑環(huán)節(jié)不同的抗震防線原則

在高層混凝土建筑中，對(duì)于抗震防線而言，設(shè)計(jì)人員在不同的工程環(huán)節(jié)中需要進(jìn)行不同的工程設(shè)計(jì)與資源配置。對(duì)高層建筑工程進(jìn)行分級(jí)，在比較脆弱的位置設(shè)計(jì)多個(gè)抗震防線，這樣即使發(fā)生地震，也會(huì)有效防止連帶問題。如果只是單一地設(shè)置一道防線，一旦發(fā)生余震，就有可能導(dǎo)致災(zāi)情的進(jìn)一步惡化。構(gòu)件之間的強(qiáng)弱關(guān)系也可以視作彈性變化的有效關(guān)系，在主體構(gòu)件遭受一定的沖擊之后，第一道防線就會(huì)被完全突破，由于后面防線與第一道防線存在一定的受力距離，因此第一道防線不會(huì)直接對(duì)第二道防線造成影響，有效保證了建筑物的安全性。

2.3 建筑不同部位的抗震設(shè)計(jì)原則

對(duì)于一些具有強(qiáng)弱關(guān)系、距離過大的位置，設(shè)計(jì)人員需要合理應(yīng)用不同的抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作之前，進(jìn)行受力試驗(yàn)，充分考慮并結(jié)合每個(gè)構(gòu)件的承載能力，準(zhǔn)確判斷局部構(gòu)件的承載能力是否符合荷載要求。但是，除了局部構(gòu)件的穩(wěn)定性需要再次確定以外，整體構(gòu)件的穩(wěn)定性不能因?yàn)榫植繕?gòu)件的穩(wěn)定性增強(qiáng)后而受到忽視。簡(jiǎn)單來說，局部構(gòu)件的受力效果、剛性程度、承載力的協(xié)調(diào)狀況都需要根據(jù)構(gòu)件形式的不同進(jìn)行適度調(diào)整。另外，需要有效保證局部構(gòu)件受力均勻，不能因?yàn)槟硞€(gè)部位承載力較弱，就減小此部位的強(qiáng)度，這會(huì)增加其他部位的荷載，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，就會(huì)影響整個(gè)建筑物的穩(wěn)定性。

3 建筑抗震概念設(shè)計(jì)概述和意義

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般會(huì)從計(jì)算設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)兩個(gè)方面展開。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在完善信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的搭建，但是因?yàn)榈卣鸬陌l(fā)生有不可預(yù)測(cè)性，在實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)中不能通過準(zhǔn)確計(jì)算來設(shè)計(jì)建筑的具體抗震等級(jí)，所以在設(shè)計(jì)的過程中一般會(huì)引用模擬地震情況統(tǒng)計(jì)出相關(guān)的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)，保證建筑的抗震等級(jí)。

目前，我國在抗震建筑設(shè)計(jì)層面展開了多年的研究，取得了較大的進(jìn)步，有效降低了地震的危害，保護(hù)了人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。但是對(duì)地震規(guī)律的把握還不是很完善，還需要大力研究建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震效果，各地區(qū)也應(yīng)該結(jié)合自己本地的地質(zhì)情況作出相應(yīng)的建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)。人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震的要求越來越高，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)師來說，怎樣提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震級(jí)別成為重要的研究課題。因此加大抗震研究的經(jīng)費(fèi)投入，讓建筑設(shè)計(jì)者有更好的研究環(huán)境，對(duì)于促進(jìn)建筑的抗震能力發(fā)展十分必要。

4 高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化實(shí)踐

4.1 優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)在對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生影響的同時(shí)能夠有效強(qiáng)化抗震效果，設(shè)計(jì)開展過程中需綜合高層混凝土建筑的功能要求、使用指標(biāo)，在嚴(yán)格規(guī)范制度的前提下踐行目標(biāo)。優(yōu)化過程中有多種結(jié)構(gòu)類型可供選擇，如剪力墻、框架結(jié)構(gòu)等，在結(jié)構(gòu)類型選擇的實(shí)踐過程中，需綜合社會(huì)效應(yīng)、工程造價(jià)的基本要素，融合經(jīng)濟(jì)學(xué)考量、美學(xué)欣賞的設(shè)計(jì)要素，選擇與建筑類型及要求相適宜的抗震結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)化工作需從規(guī)劃設(shè)計(jì)著手展開，這首先要求混凝土高層建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得干凈、對(duì)稱、整齊，其次應(yīng)在定量分析基礎(chǔ)上對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能展開體系研究，從而對(duì)其整體性能進(jìn)行明確，并通過對(duì)結(jié)構(gòu)特征、剪力墻方案、布置方法的確定，實(shí)現(xiàn)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。例如，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)從以下幾方面著手。

首先，要做到相同結(jié)構(gòu)單元在性質(zhì)一致基礎(chǔ)上的有效布置，這要求在面對(duì)新填土、液化土、橡皮土等具有不均勻承載力的土層時(shí)，應(yīng)采用一定措施使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性及剛性得到有效提升。如以基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性為例，可以通過鋼筋混凝土圈梁、調(diào)整構(gòu)造柱的方式，不僅可以抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降引起墻體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時(shí)還可以增加房屋結(jié)構(gòu)的整體性，防止因振動(dòng)產(chǎn)生的不利影響，并且在設(shè)置圈梁時(shí)，還需要連續(xù)地設(shè)在同一水平面上，并形成封閉狀，從而提升基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性。不僅如此，還可以把可用沉降縫在適當(dāng)部位將房屋分成若干剛度較好的單元，把沉降縫的基礎(chǔ)分開，并在房屋四角設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，并且從柱里抽出水平鋼筋與磚墻拉結(jié)，以確保地基能夠有效承載。

其次，在設(shè)計(jì)過程中，要合理運(yùn)用底框結(jié)構(gòu)，雖然這一結(jié)構(gòu)兼具經(jīng)濟(jì)及實(shí)用性，但這一結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，易出現(xiàn)頭重腳輕等情況。使得地震發(fā)生時(shí)建筑整體易發(fā)生不均勻變形，其抗扭性能并不能達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，故而使得房屋裂縫及倒塌情況更易發(fā)生。因此地震發(fā)生較為頻繁的區(qū)域不宜運(yùn)用該結(jié)構(gòu)，或即便運(yùn)用也應(yīng)輔以其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保框架結(jié)構(gòu)上下剛度的協(xié)調(diào)均勻。

第三，抗震建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為建筑建造的第一步，其完備性、系統(tǒng)性、功能性程度決定著建筑抗震性能的底色。故而設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面勘察了解高層混凝土建筑的施工情況，包括具體施工工藝、應(yīng)用材料、預(yù)期建設(shè)位置、地質(zhì)地貌等要素，并形成調(diào)研報(bào)告，以此明確設(shè)計(jì)過程中的重要節(jié)點(diǎn)，在提升高層混凝土建筑抗震性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)主體建筑與客觀環(huán)境的協(xié)調(diào)性和一致性，因地制宜地開展設(shè)計(jì)工作。

最后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)搭建起抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫，記錄地震中發(fā)生損害的有關(guān)建筑，并比照其原本結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震損害方式、結(jié)構(gòu)塌陷過程的逆向還原，以此為后續(xù)抗震建筑的設(shè)計(jì)提供有益參考與啟發(fā)。在實(shí)際構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的過程中，主要通過三維成像技術(shù)，構(gòu)建虛擬的數(shù)據(jù)模型，在滿足全面觀察的同時(shí)，還可以結(jié)合演示模式，模擬演示建筑在地震中的實(shí)際情況，有效加強(qiáng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性和有效性。盡量實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的力學(xué)模型搭建，進(jìn)而充分利用主拉應(yīng)力、剪摩理論，搭建盡可能合理的抗震結(jié)構(gòu)。

4.2 充分了解周邊環(huán)境，因地制宜展開設(shè)計(jì)

高層混凝土建筑的設(shè)計(jì)建造過程中，應(yīng)將對(duì)地震等有關(guān)自然災(zāi)害的預(yù)防囊括在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中。故而，合理選擇建筑位置，能夠顯著提高相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗震能力。位置的選擇應(yīng)依托于相應(yīng)科學(xué)理論，并在對(duì)備選位置周邊地形、地貌進(jìn)行廣泛勘探后，挑選適合位置后開展工程建設(shè)。這期間應(yīng)注意高層混凝土建筑周邊不應(yīng)出現(xiàn)變電站、發(fā)電廠等安全不穩(wěn)定因素，并盡量將位置選擇在平緩地帶，避開山坡、沼澤等不利于抗震的地點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的制定應(yīng)在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系框架內(nèi)，而實(shí)際施工過程中的結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具備一定的空間調(diào)節(jié)能力。以確保外力影響下結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)具備一定的結(jié)構(gòu)延伸能力，具有依托記憶形狀恢復(fù)至先前形狀的能力。這一做法能夠有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，并以這一延展性方案延長(zhǎng)建筑的耐久性。同時(shí)評(píng)估建筑整體重力是否均勻分布，評(píng)估過程需遵循重力均勻?qū)ΨQ的分布原則，利用合理的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)，全面評(píng)估和了解建筑的整體重力，從而為后續(xù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)與前提，有效提升高層建筑的抗震性。

在評(píng)估結(jié)果參考，針對(duì)重力分布不均勻的前提，通過依照地形地質(zhì)特點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整建筑的重力分布，從而有效捕捉建筑重力的變化規(guī)律，引導(dǎo)其中的不規(guī)則力，以有效提升建筑整體抗震能力。地震發(fā)生時(shí)由于其地質(zhì)表層產(chǎn)生的應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布態(tài)勢(shì)，故而作用于地基時(shí)這類不規(guī)則力會(huì)對(duì)地基構(gòu)型產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)撕裂作用，并向上傳導(dǎo)使得建筑整體發(fā)生扭曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致建筑坍塌情況的發(fā)生。

4.3 科學(xué)設(shè)計(jì)地下室外墻

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮建筑實(shí)施區(qū)域的情況。面臨各種實(shí)際情況下，都要從建筑質(zhì)量性能、建筑安全可靠性等原則出發(fā)，通過適當(dāng)增加和改善建筑結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)不同的施工挑戰(zhàn)。地下室是建筑結(jié)構(gòu)中十分重要的結(jié)構(gòu)和功能區(qū)域，它不僅能增強(qiáng)建筑的穩(wěn)定性和防水性，而且可以作為建筑的重要功能區(qū)域。地下室外墻設(shè)計(jì)要考慮到建筑承重和防水等要求，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要優(yōu)化處理地下室外墻的厚度、材料等細(xì)節(jié)。

地下室外墻厚度應(yīng)與建筑的整體結(jié)構(gòu)規(guī)模相匹配，如超高層建筑地下室外墻厚度應(yīng)比普通高層地下室外墻厚度適當(dāng)增加。在建筑地質(zhì)結(jié)構(gòu)中如果為軟土土層條件，在設(shè)計(jì)方案中也應(yīng)考慮增加外墻厚度，以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。在建筑區(qū)域存在較高的地下水位時(shí)，地下室外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用防水防滲、隔潮的材料進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)施工。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做好各種數(shù)據(jù)標(biāo)記，地下室結(jié)構(gòu)尺寸和距離應(yīng)綜合考慮建筑規(guī)模和建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并從抗震等細(xì)節(jié)方面著手，通過合理的設(shè)計(jì)提高建筑物的抗震等級(jí)。上述是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要細(xì)化考慮和實(shí)踐的內(nèi)容，也是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的一種考驗(yàn)。

4.4 抗震性能分析與設(shè)計(jì)措施

根據(jù)（建質(zhì)〔2015〕67 號(hào)）《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的規(guī)定，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)高度、一般不規(guī)則性、特別不規(guī)則抗震超限檢查。綜合三項(xiàng)超限檢查結(jié)果。

（1）參照GB 50011—2010 第5.1.2 條，采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。采用時(shí)程分析法時(shí)，根據(jù)建筑場(chǎng)地類別選用2 組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，保證所選時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符；彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。樓層地震剪力取時(shí)程計(jì)算所得最大值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證各構(gòu)件滿足多遇地震彈性要求。

（2）采用PKPM軟件進(jìn)行罕遇地震靜力彈塑性時(shí)程分析，檢查構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的損傷情況，對(duì)重要和薄弱部位提出加強(qiáng)措施。

（3）科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震體系，設(shè)置多道抗震防線。在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震體系，應(yīng)當(dāng)將安全性放在首位，要保障高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為提高抗震體系設(shè)計(jì)水平，需基于高層住宅建筑所在區(qū)域的特征，以及該區(qū)域地震災(zāi)害的發(fā)生概率，制定適宜的設(shè)計(jì)方案，與此同時(shí)還需要考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量在預(yù)期成本資金投入范圍內(nèi)完成。如若條件允許，可以于高層住宅頂層中鋪設(shè)橡膠層，其能夠有效緩沖地震災(zāi)害引發(fā)的外部沖擊力，減輕高層住宅建筑所要面對(duì)的外力，使之承受力得到大大提升，取得較好的抗震效果，維護(hù)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。要根據(jù)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，設(shè)置多道抗震防線，盡量提高結(jié)構(gòu)的抗震性。需要將抗震體系當(dāng)作是一個(gè)整體，選擇具有一定延性的、優(yōu)質(zhì)的構(gòu)件，將其作為高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，每一個(gè)構(gòu)件都需要有一定的自我保護(hù)能力，等到第一道抗震防線屈服后，后面的防線才會(huì)屈服。如若地震等級(jí)比較大，其外部沖擊力機(jī)會(huì)增大，具有較強(qiáng)的破壞性，當(dāng)?shù)卣鸱谰€被沖破后，還有多道防線能夠?qū)Ω邔幼≌ㄖY(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，以避免其受到嚴(yán)重?fù)p壞。

5 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，首先應(yīng)針對(duì)抗震展開設(shè)計(jì)，綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性、承載能力，以及剛度等建筑性能，并對(duì)于結(jié)構(gòu)中相對(duì)薄弱的部位進(jìn)一步加強(qiáng)抗震措施。使建筑結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的抗震結(jié)構(gòu)體系，從而達(dá)到高層住宅建筑良好的抗震效果。只有建筑物的整體抗震能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，才能夠抵抗地震災(zāi)害。