李媛 黃利

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司 河北 滄州 062552

引言

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先要考慮到的是如何將抗震性能應(yīng)用到建筑的主體結(jié)構(gòu)之中，這樣可以降低建筑在地震和洪澇災(zāi)害中遭到的破壞性影響。在進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造時(shí)，必須明確了解和掌握高層建筑的抗震能力，明確影響抗震性能的各類(lèi)要素，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震體系，充分發(fā)揮高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)實(shí)用性?xún)r(jià)值。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論研究

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是建筑工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)重點(diǎn)，對(duì)高層建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行研究分析，必然要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以探討其設(shè)計(jì)思想、方法以及相應(yīng)的抗震對(duì)策。建筑物抗震標(biāo)準(zhǔn)是世界各地建筑抗震實(shí)踐所歸納的權(quán)威性?xún)?nèi)容，是指導(dǎo)建筑物抗震設(shè)計(jì)，包含結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)抗震措施、地基抗震分析的法律文書(shū)。這不僅體現(xiàn)了各國(guó)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高水平，也體現(xiàn)了各國(guó)在地震抗震方面的具體實(shí)踐成果。在抗震相關(guān)的科學(xué)學(xué)說(shuō)指導(dǎo)下，朝著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的合理發(fā)展，但是必須以施工實(shí)際為前提，以施工的安全為第一要?jiǎng)?wù)，絕不能出現(xiàn)絲毫的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 擬靜力學(xué)

擬靜力學(xué)是20世紀(jì)10-40年代發(fā)展的一個(gè)新的概念，該方法只假設(shè)建筑物結(jié)構(gòu)是剛性，地震力水平作用于建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心，計(jì)算地震力大小時(shí)，具體以建筑結(jié)構(gòu)重量和比率常量相乘得出，確定地震系數(shù)。

1.2 反應(yīng)譜

在20世紀(jì)40-60年代，以了解強(qiáng)地震加速度檢測(cè)數(shù)據(jù)增多、地震地面運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)等為前提，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性作為理論依據(jù)，加理工大學(xué)的許多研究者對(duì)地震動(dòng)加速度記錄特點(diǎn)進(jìn)行研究，得出反應(yīng)譜理論。

1.3 動(dòng)力理論

動(dòng)力理論是20世紀(jì)70-80年代廣泛使用的一種地震力學(xué)學(xué)說(shuō)。其發(fā)展不僅是建立在60年代以后的電腦及實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的進(jìn)步，對(duì)于不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)在地震中的線性、非線性響應(yīng)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，而且由于觀測(cè)臺(tái)點(diǎn)的增加，對(duì)不同類(lèi)型建筑物的地震響應(yīng)記錄也越來(lái)越多。動(dòng)力理論又稱(chēng)為時(shí)程解析法，將地震視為一個(gè)時(shí)程，選取具有代表性的地震動(dòng)加速度時(shí)程，將建筑物分解成多自由度子體系，以求出各時(shí)刻的地震響應(yīng)，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一般情況下，當(dāng)建筑物受到強(qiáng)烈的震動(dòng)時(shí)，其抗震構(gòu)造都會(huì)處于塑性狀態(tài)，為了使建筑物的抗震性能達(dá)到預(yù)期目的，必須在建筑的抗震設(shè)計(jì)中充分考慮其彈塑性變形。目前，在國(guó)內(nèi)外關(guān)于抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向上，多集中于在各種超過(guò)可能性水平地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)變形與特性的需求。結(jié)構(gòu)的彈塑性分析是抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)主要方面，但是結(jié)構(gòu)的彈塑性分析難度并不低，其彈性模量的確定和求解方法也不盡相同。目前的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，采用反應(yīng)譜理論，完成抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，采用彈性分析法進(jìn)行位移及內(nèi)力分析，采用了極限狀態(tài)分析法進(jìn)行構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。對(duì)于部分有特別需求的建筑物，或者某些重點(diǎn)建筑，需要采用時(shí)程分析方法，對(duì)其進(jìn)行加載運(yùn)算，在大型地震作用下，對(duì)其變形情況進(jìn)行計(jì)算，在罕遇地震條件下進(jìn)行彈塑性變形分析。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本原理

3.1 總體規(guī)劃

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，要做到從整個(gè)建筑的角度出發(fā)，為了確保地板的安全性和完整性，在規(guī)定的限度之內(nèi)，可以將結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)量集中起來(lái)，并將其轉(zhuǎn)移到慣性作用，從而達(dá)到垂直倒置地震結(jié)構(gòu)所必需的功能。其次，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保各子系統(tǒng)的抗震性能，以促進(jìn)整體的抗震性能。

3.2 條理分明

現(xiàn)在關(guān)于房屋的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)有了許多的研究，比如地震的移動(dòng)和如何傳遞。因?yàn)樵诮ㄖ脑O(shè)計(jì)中，必須要嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)原理，這樣就可以對(duì)建筑物的位移、內(nèi)力、弱點(diǎn)等進(jìn)行分析和計(jì)算，并且還可以對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，從而提高工程的整體設(shè)計(jì)效果。

3.3 調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度、抗震性能

在發(fā)生地震的情況下，建筑的剛性和抗震能力都會(huì)受到雙重的影響。在整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，必須要將整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛性問(wèn)題都納入到其中，這樣可以避免各種不同的方向上的震動(dòng)，也可以弱化整體結(jié)構(gòu)的扭曲與均衡，同時(shí)也可以降低大暴雨對(duì)建筑物的損害。

4 增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)成效的策略

4.1 合理選用體系、材料

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，特別是在地震頻發(fā)地區(qū)，人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注著高層建筑結(jié)構(gòu)體系和材料的選擇問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)超過(guò)50米的高層建筑多采用三種結(jié)構(gòu)形式，主要參考國(guó)外的建筑結(jié)構(gòu)形式。其中有一點(diǎn)不同，在國(guó)外地震頻發(fā)區(qū)域，建筑大多選用鋼材材料，國(guó)內(nèi)大部分都選用鋼筋混凝土、混合結(jié)構(gòu)，國(guó)外對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)缺乏防震演示經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)高層建筑物框架-核心筒體系結(jié)構(gòu)，所用的鋼材量并不多，減少了立柱斷面，因而得到了業(yè)主的廣泛關(guān)注。在混合結(jié)構(gòu)中，由于其內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度比較大，因此采用以鋼筋混凝土核心筒為主要構(gòu)件，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形極限值視為變性控制基準(zhǔn)。但是在實(shí)際工程中，彎曲變形移動(dòng)較為明顯，部分鋼架剛性差，使得側(cè)移降低，從而增大了鋼梁承載力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增大混凝土筒的伸臂結(jié)構(gòu)、剛性，以保證其達(dá)到側(cè)移極限[2]。柱間距和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)變化時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，在轉(zhuǎn)換層和加固層的作用下產(chǎn)生機(jī)械剛性突變，從而增大與轉(zhuǎn)換層和增強(qiáng)層相連結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，增強(qiáng)和轉(zhuǎn)換層的連接部不能或者很難實(shí)施強(qiáng)柱弱梁，在變換層或者加固層的布置中，必須要合理地選取其構(gòu)造方式，盡可能地減少自身的剛性，從而減少對(duì)其造成的負(fù)面效應(yīng)。另外，在高層建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，也要考慮到材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題，盡管現(xiàn)在的鋼材產(chǎn)量和種類(lèi)越來(lái)越多，鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)水平也有所提高，但還是有一些工程主要選擇鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，以減少柱子斷面尺寸，提高結(jié)構(gòu)耐久性。當(dāng)超過(guò)某一水平時(shí)，由于鋼構(gòu)件本身的重量較輕，一般采用鋼骨混凝土、混凝土材料等作為降低風(fēng)振的首選。

4.2 科學(xué)、合理選址

地理位置、地形地貌、水文條件等都是影響抗震性能的主要要素，必須要對(duì)高層建筑工程地理位置、地形地貌、水文條件等因素進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和取樣，以此為關(guān)鍵參考依據(jù)，對(duì)其地理位置的確定進(jìn)行全面分析。在選定施工工地時(shí)，還要對(duì)房屋在地震中的損傷特性和損壞情況進(jìn)行細(xì)致劃分，并針對(duì)不同場(chǎng)地特性，制定相應(yīng)的抗震對(duì)策，以排除不良影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)工程人員還要對(duì)地基液化程度、地基抗震設(shè)防類(lèi)別等進(jìn)行有效研究，并據(jù)此提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，以提高上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度，從而有效的處理地基液化沉陷問(wèn)題，從而防止不利地質(zhì)條件對(duì)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定造成負(fù)面影響。

4.3 提高抗震等級(jí)

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，若結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定，將會(huì)在以后的應(yīng)用中產(chǎn)生震動(dòng)，造成結(jié)構(gòu)破壞、裂縫、位移等問(wèn)題，從而使工程施工品質(zhì)下降。為有效避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分把握建筑物抗震等級(jí)，提高其抗震能力的科學(xué)性，降低建筑結(jié)構(gòu)病害發(fā)生概率?，F(xiàn)階段，可充分利用信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，進(jìn)行智能模擬演示，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行技術(shù)研究，著重于明確高層建筑結(jié)構(gòu)物理剛度，并對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)變形和扭力的參數(shù)進(jìn)行研究。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)形式和有關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)物理剛度進(jìn)行合理的測(cè)試與判定，以保證高層建筑扭轉(zhuǎn)與變形的剛性1.1～1.2范圍內(nèi)[3]。在剪力墻和簡(jiǎn)化連梁規(guī)劃設(shè)計(jì)中，有關(guān)的參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是必須將連梁跨距高度限制在2以下，并采用暗柱作支承，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。第二點(diǎn)是若連梁跨距高度比值小于1，則應(yīng)采用十字暗柱作支承。地震活動(dòng)主要由地殼垂直運(yùn)動(dòng)引起，在抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分掌握地質(zhì)地理構(gòu)造的特點(diǎn)和活動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合以前的資料進(jìn)行研究，對(duì)其周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行科學(xué)控制，對(duì)地震發(fā)生頻率、地震等級(jí)的變化做出預(yù)報(bào)和判斷，從而為抗震設(shè)計(jì)和施工提供真實(shí)有效的地理地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)該區(qū)域的地震活動(dòng)進(jìn)行研究，可以保證整個(gè)區(qū)域建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)構(gòu)造布置以及整個(gè)區(qū)域的地震活動(dòng)趨向保持相對(duì)垂直，控制較大等級(jí)地震對(duì)高層建筑工程設(shè)計(jì)成效的不良影響。

4.4 剛性控制層設(shè)計(jì)

提高軸線豎向剛度是提高墻體結(jié)構(gòu)抗震能力的關(guān)鍵，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并以底層結(jié)構(gòu)的地震墻體為主體。建筑底層框架的構(gòu)造比較復(fù)雜，使用復(fù)合構(gòu)造材料的形成混合結(jié)構(gòu)，對(duì)提高房屋的抗震能力是不利的。為此，必須根據(jù)各參數(shù)剛性，根據(jù)計(jì)算結(jié)論，確定結(jié)構(gòu)的剛性控制標(biāo)準(zhǔn)，具體包含以下四個(gè)方面內(nèi)容。第一個(gè)方面是底層抗震墻體剛度調(diào)控，以墻體在震中產(chǎn)生的撓性變形為基礎(chǔ)，并根據(jù)剪切變形，求出剛性控制限數(shù)值，明確上述兩個(gè)條件下底層抗震墻體剛度調(diào)控范圍。第二個(gè)方面是底層框架剛度調(diào)控。在確定框架梁剛性參數(shù)的前提下，以結(jié)構(gòu)的撓曲變形系數(shù)為唯一標(biāo)準(zhǔn)，確定框架柱剛度區(qū)間。第三個(gè)方面是砌體抗震墻剛度調(diào)控。此項(xiàng)性能參數(shù)應(yīng)按墻高、墻寬之比來(lái)決定，若比例小于1，則以剪切為控制基礎(chǔ)，以防止產(chǎn)生變形，并設(shè)置剛性控制區(qū)域。在比例不大于1、不超出4的情況下，根據(jù)剪切變形，添加撓性指數(shù)，設(shè)置剛性控制區(qū)域。在比例大于4的情況下，用等效方法使其側(cè)向剛性為0。第四個(gè)方面是嵌砌的砌體抗震墻剛性控制。該部位的剛性比較高，在結(jié)構(gòu)的彈性側(cè)移剛性基礎(chǔ)之上，添加框架彈性側(cè)移剛性，這二者的總和是剛性調(diào)控限制數(shù)值。

4.5 抗震計(jì)算

根據(jù)底部剪力方式，可以對(duì)房屋的抗震情況進(jìn)行分析。當(dāng)鋼構(gòu)件具有高的總體高度時(shí)，可用分解反應(yīng)譜方法進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)本項(xiàng)目所處地理位置的特定抗震要求作出規(guī)定，一般有4～6級(jí)地震級(jí)別的區(qū)域，應(yīng)按特定規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行建筑布局，同時(shí)要充分考慮到房屋本身?xiàng)l件和當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件，保證其抗震能力與實(shí)際水平要求相符。同時(shí)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析，并依據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)的抗震處理措施。在進(jìn)行地震反應(yīng)時(shí)，必須對(duì)重力荷載代表性數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，而最后的載荷由固定標(biāo)準(zhǔn)載荷加上活載荷數(shù)值來(lái)決定，活荷載組合值系數(shù)為0.5，不同結(jié)構(gòu)活荷載組合值系數(shù)為0，屋面部分活載荷不包括在內(nèi)。

4.6 薄弱層構(gòu)造設(shè)計(jì)

地震自然災(zāi)害具備突發(fā)性特點(diǎn)，對(duì)于地震自然災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，仍無(wú)較為明確的研究成果，在地震自然災(zāi)害預(yù)警方面，尚且不能百分之百保證提前預(yù)警。在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)中，尚且不能精確的預(yù)測(cè)出房屋主要參數(shù)、地震特性，必須要對(duì)其進(jìn)行綜合分析，找出其中的弱點(diǎn)，然后進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，以保證整個(gè)建筑的安全。在建筑物的薄弱部位，比較有可能出現(xiàn)建筑物豎向抗側(cè)力不連續(xù)、樓層受剪承載力突然變化、建筑結(jié)構(gòu)雙向側(cè)向剛性分布不均衡等問(wèn)題，加之薄弱部位非常容易被破壞，在進(jìn)行軟弱層設(shè)計(jì)時(shí)，必須采用更好的抗震結(jié)構(gòu)，以改善其抗震能力。結(jié)構(gòu)分析軟件能可以對(duì)施工區(qū)域的薄弱部位做出準(zhǔn)確判定，并對(duì)薄弱層進(jìn)行有效監(jiān)控，使薄弱層具備承受多種效應(yīng)的功能，避免薄弱層發(fā)生過(guò)度的變形，避免薄弱層遷移。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段住宅用地不斷縮減，城市高樓大廈必將是最理想的居住方式。如何確保結(jié)構(gòu)安全性，尤其是結(jié)構(gòu)的抗震性能是非常關(guān)鍵的。確保高層建筑結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)度符合使用需求，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，要不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，以設(shè)計(jì)出更高質(zhì)量的房屋抗震結(jié)構(gòu)。