有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震的幾點(diǎn)思考

范俊梅

摘 要：本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震的幾個(gè)問(wèn)題做了闡述，供大家參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系；結(jié)構(gòu)類型；抗震設(shè)計(jì)

1 前言

隨著我國(guó)城市人口的不斷增多及建設(shè)用地趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開(kāi)發(fā)及新的設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展，抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中值得重視的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的一般規(guī)定

震級(jí)是表示地震強(qiáng)度所劃分的等級(jí)，我同地震劃分為六級(jí)：小地震3級(jí)， 有感地震3～4．5級(jí)， 中強(qiáng)地震4．5～6級(jí)，強(qiáng)烈地震6～7級(jí)，大地震7～8級(jí)，大于8級(jí)的為巨大地震。地震烈度是國(guó)家主管部門根據(jù)地理、地質(zhì)和歷史資料，經(jīng)利學(xué)勘查和驗(yàn)證，對(duì)我國(guó)主要城市和地區(qū)進(jìn)行的抗震設(shè)防與地震分組的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，是地域概念。抗震設(shè)防類別分為甲、乙、丁類建筑，全國(guó)大部分地區(qū)的房屋抗震設(shè)防烈度一般為8度(抗6級(jí)地震)。抗震等級(jí)是設(shè)計(jì)部門依據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，按“建筑物重要性分類與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)”，根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度等，而采用不同抗震等級(jí)進(jìn)行的具體設(shè)計(jì)。以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，抗震等級(jí)劃分為四級(jí)，以表示其很嚴(yán)重、嚴(yán)重、較嚴(yán)重及一般的四個(gè)級(jí)別。

建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)其使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁類四個(gè)抗震設(shè)防類別。各抗震設(shè)防類別的高層建筑結(jié)構(gòu)，其抗震措施應(yīng)符合下列要求：

甲類、乙類建筑：當(dāng)本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6-8度時(shí)，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求；當(dāng)本地區(qū)的設(shè)防烈度為9度時(shí)，應(yīng)符合IzL9度抗震設(shè)防更高的要求。當(dāng)建筑場(chǎng)地為I類時(shí)，應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震措施；

丙類建筑：應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。當(dāng)建筑場(chǎng)地為I類時(shí)，除6度外，應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震措施。

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級(jí)，并應(yīng)符合相應(yīng)的計(jì)算和措施要求。

建筑場(chǎng)地為Ⅲ 、Ⅳ類時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．15G和0．30G的地區(qū)，宜分別按抗震設(shè)防烈度8度(0．20G)和9度(0．40G)時(shí)各類建筑的要求采取抗震措施。

抗震設(shè)計(jì)的多高層建筑，當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)，地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計(jì)算要求外，不應(yīng)少于地上一層對(duì)應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1．1倍；地下室中超出上部主樓范圍且無(wú)上部結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)。9度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)。

抗震設(shè)計(jì)時(shí)、與主樓連為整體的裙樓的抗震等級(jí)不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí)；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時(shí)，宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱，或采用高強(qiáng)度混凝土柱。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本方法

減少地震能量輸入。積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，要求進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形能力滿足在預(yù)期的地震作用下的變形要求。除了驗(yàn)算構(gòu)件的承載力外，要控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比；根據(jù)構(gòu)件變形與結(jié)構(gòu)位移關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；并根據(jù)截面達(dá)到的應(yīng)變大小及應(yīng)變分布，確定構(gòu)件的構(gòu)造要求。對(duì)于高層建筑，選擇堅(jiān)硬的場(chǎng)地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯(cuò)開(kāi)地震動(dòng)卓越周期，可防止共振破壞。

推廣使用隔震和消能減震設(shè)計(jì)。目前我國(guó)和世界各國(guó)普遍采用的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是“延性結(jié)構(gòu)體系”，即適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動(dòng)隔震、懸吊隔震等措施，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，減少地震能量輸入，減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，是一種很有前途的防震措施。提高結(jié)構(gòu)阻尼，采用高延性構(gòu)件，能夠提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減輕地震作用，減小樓層地震剪力。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)各種建筑物和構(gòu)筑物的抗震減震要求越來(lái)越高，地震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性，在未來(lái)的建筑結(jié)構(gòu)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

在高層建筑的方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)材料選用也很重要?？梢詫?duì)材料參數(shù)隨機(jī)性的抗震模糊可靠度進(jìn)行分析，改變過(guò)去對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數(shù)的變異性，地震烈度的隨機(jī)性及烈度等級(jí)界限的隨機(jī)性與模糊性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。從抗震角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系的抗震等級(jí)，其實(shí)質(zhì)就是在宏觀上控制不同結(jié)構(gòu)的廷性要求。這要求我們應(yīng)根據(jù)建設(shè)工程的各方面條件，選用符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)類別。

4 正確認(rèn)識(shí)高層建筑的受力特點(diǎn)，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型

高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來(lái)自任何方向，當(dāng)為均布荷載時(shí)，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當(dāng)為均布荷載時(shí)，側(cè)移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

高層建筑有上述的受力特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)類型，使之在特定的物資和技術(shù)條件下，具有良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結(jié)構(gòu)類型主要有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有整體自重輕，強(qiáng)度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面相對(duì)較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較長(zhǎng)時(shí)，易發(fā)生共振。與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，空間整體性好，造價(jià)低及材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其突出缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長(zhǎng)，當(dāng)場(chǎng)地土特征周期較短時(shí)，易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用何種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)取決于所有結(jié)構(gòu)體系和材料特性，同時(shí)取決于場(chǎng)地土的類型，避免場(chǎng)地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴(yán)重。

5 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

由于高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì)，使建筑物達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達(dá)到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來(lái)吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長(zhǎng)越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。

對(duì)于框架——剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強(qiáng)墻弱梁”的原則加強(qiáng)墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)了高層建筑的受力特性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、抗震性能等多方面的概念設(shè)計(jì)，從而更加有效地構(gòu)造出新的措施與計(jì)劃，完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。