高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則及存在問題

李 佳

(昆明冶研新材料股份有限公司，云南昆明650031)

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則及存在問題

李 佳

(昆明冶研新材料股份有限公司，云南昆明650031)

闡述了高層建筑抗震設(shè)計的理念及原則，探討了高層建筑中采取抗震措施的必要性和重要性。

高層建筑;抗震性能;設(shè)計原則

0 引言

地震作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的循環(huán)、往復(fù)荷載，建筑物的地震破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，存在著許多模糊和不確定因素，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時效、阻尼變化等多種因素，計算方法還很不完善，單靠微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)計算還很難使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震時真正確保具有良好的抗震能力。

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱(墻)”的原則。

(3)承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

2 設(shè)置多道抗震防線

(1)一個抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。例如框架—剪力墻結(jié)構(gòu)由延性框架和剪力墻兩個分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。

(2)強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導(dǎo)致倒塌。抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時倒塌。

(3)適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長階段，保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。

(4)在抗震設(shè)計中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計超強(qiáng)，可能造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對薄弱，因此在設(shè)計中不合理的加強(qiáng)以及在施工中以大帶小，改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋的做法，都需要慎重考慮。

3 采取措施提高薄弱部位抗震能力

(1)構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲備，構(gòu)件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。

(2)使樓層(部位)的實(shí)際承載能力和設(shè)計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的比值有突變時，會由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。

(3)防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。

(4)在抗震設(shè)計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

4 剪力墻布置

(1)雙向布置剪力墻及抗側(cè)剛度。高層建筑應(yīng)有較好的空間工作性能，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)。在抗震結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免單向布置剪力墻，宜使兩個方向抗側(cè)剛度接近，即兩個方向的自振周期相近。另一方面，剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。

(2)豎向剛度均勻 。剪力墻布置對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響，剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變，所以應(yīng)要求剪力墻自上而下連續(xù)布置。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級，或減少部分墻肢，使抗側(cè)剛度沿高度逐漸減小。

(3)墻肢高寬比。細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計成受彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。在抗震結(jié)構(gòu)中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有延性，設(shè)計中墻的高寬比不＜2。當(dāng)墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比＞2的要求，可通過開設(shè)洞口將長墻分成長度較小、較均勻的獨(dú)立墻段，每個獨(dú)立墻段可以是整體墻，也可以是聯(lián)肢墻。

(4)剪力墻洞口的布置。剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學(xué)性能。因此，布置剪力墻洞口時應(yīng)滿足以下3方面要求:

1)規(guī)則開洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用程序的計算簡圖較為符合，設(shè)計結(jié)果安全可靠。同時宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置。

2)對于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻，二者都是不規(guī)則開洞的剪力墻，其應(yīng)力分布復(fù)雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規(guī)計算無法獲得其實(shí)際內(nèi)力，構(gòu)造比較復(fù)雜。其主要特點(diǎn)是洞口錯開距離很小，甚至疊合，不僅墻肢不規(guī)則，洞口之間形成薄弱部位，疊合錯洞墻比錯洞口墻更為不利，設(shè)計時應(yīng)盡量避免。當(dāng)無法避免疊合錯洞布置時，應(yīng)按有限元方法仔細(xì)計算分析并在洞口周邊采取加強(qiáng)措施或采用其他輕質(zhì)材料填充將疊合洞口轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口的剪力墻或框架結(jié)構(gòu)。

3)具有不規(guī)則洞口剪力墻的內(nèi)力和位移計算應(yīng)符合規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。目前除了平面有限元方法外，尚沒有更好的簡化方法計算。對結(jié)構(gòu)整體計算中采用了桿系、薄壁桿系模型或?qū)Χ纯谧髁撕喕幚淼钠渌邢拊Ｐ蜁r，應(yīng)對不規(guī)則開洞墻的計算結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，必要時應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充計算和校核。

(5)剪力墻和加強(qiáng)部位?？拐鸾Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性鉸的部位應(yīng)作為加強(qiáng)部位。而剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強(qiáng)部位，目的是對塑性鉸部位可以有更明確的措施，應(yīng)與由于溫度、收縮等需要加強(qiáng)的措施相區(qū)別。剪力墻塑性鉸出現(xiàn)后，剪力墻應(yīng)具有足夠的延性，剪力墻底部塑性鉸出現(xiàn)都有一定范圍，該范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，提高其抗剪切破壞的能力。為安全起見，設(shè)計剪力墻時將加強(qiáng)部位范圍適當(dāng)擴(kuò)大，抗震設(shè)計時，一般剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層二者的較大值，當(dāng)剪力墻高度超過150 m時，為避免加強(qiáng)區(qū)太高，其底部加強(qiáng)部位的高度可取墻肢總高度的1/10。

5 高層建筑抗震設(shè)計常見問題

在高層建筑的建設(shè)中，最主要的問題是對抗震問題的研究，其中又以中短柱為最主要的問題?？拐鹪O(shè)計中常見問題如下。

(1)缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。①在擴(kuò)初設(shè)計階段缺建筑場地巖土工程的勘察資料;②在擴(kuò)初設(shè)計會審之后直接進(jìn)入了施工圖設(shè)計;③在規(guī)劃設(shè)計或方案設(shè)計會審后直接進(jìn)入了施工圖設(shè)計，無巖土工程勘察資料，設(shè)計缺少了必要的依據(jù)。

(2)結(jié)構(gòu)的平面布置。外形不規(guī)則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質(zhì)心偏心大，同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。

(3)一個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)采用兩種不同的結(jié)構(gòu)受力體系。如一半采用砌體承重，而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框磚房中一半為底框，而另一半為磚墻落地承重，這種情況常出現(xiàn)在平面縱軸與街道軸線相交的住宅，其底層為商店，設(shè)計成一半為底框磚房(有的為二層底框)，而另一半為磚墻落地自承，造成平面剛度和豎向剛度二者都產(chǎn)生突變，對抗震十分不利。

(4)底框磚房超高超層。如1996年，對杭州設(shè)計單位作的一次專題普查，發(fā)現(xiàn)有69幢底框磚房超高超層。新項(xiàng)目亦普遍存在此現(xiàn)象，1999年某地塊住宅竣工交付使用驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)有3幢底框磚房超高超層，甚至有超3層的。

(5)結(jié)構(gòu)的豎向布置。在高層建筑中，豎向體型有過大的外挑和內(nèi)收，立面收進(jìn)部分的尺寸比值B1/B不滿足≥0.75的要求。

(6)抗震構(gòu)造柱布置不當(dāng)。如外墻轉(zhuǎn)角處，大廳四角未設(shè)構(gòu)造柱或構(gòu)造柱不成對設(shè)置，以構(gòu)造柱代替磚墻承重，山墻與縱墻交接處不設(shè)抗震構(gòu)造柱等。

(7)框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻抗震構(gòu)造措施不到位。砌體外圍護(hù)墻砌筑在框架柱外未設(shè)置抗震構(gòu)造柱，框架間砌體填充墻高度、長度超過規(guī)范規(guī)定要求未采取相應(yīng)構(gòu)造措施。

(8)有的底層無橫向落地抗震墻，全部為框支或落地墻間距超長;有的僅北側(cè)縱墻落地，南側(cè)全為柱子，造成南北剛度不均;有的底層作汽車庫，設(shè)計時橫墻落地，但縱墻不落地，變成了縱向框支;還有的底框和內(nèi)框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設(shè)計，其中很少有縱墻。不少地方采用鋼筋混凝土內(nèi)柱來承重以代替磚墻承重，實(shí)際上將磚混結(jié)構(gòu)演變?yōu)閮?nèi)框架結(jié)構(gòu)，這比底框磚房還不利，因內(nèi)框磚房的層數(shù)、總高度控制比底框磚房更嚴(yán)，因此存在著嚴(yán)重抗震隱患。更為嚴(yán)重的是這種情況并未引起大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師的重視。

(9)平面布局的剛度不均?？拐鹪O(shè)計要求建筑的平、立面布置宜規(guī)正、對稱，建筑的質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻，否則應(yīng)考慮其不利影響。但有的平面設(shè)計存在嚴(yán)重的不對稱:一邊進(jìn)深大，一邊進(jìn)深小;一邊設(shè)計大開間，一邊為小房間;一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。平面形狀采用L、π形不規(guī)則平面等，造成了縱向剛度不均，而底層作為汽車庫的住宅，一側(cè)為進(jìn)出車需要，取消全部外縱墻，另一側(cè)不需進(jìn)出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均。這些都對抗震極為不利。

(10)防震縫設(shè)置。對于高層建筑存在下列3種情況時，宜設(shè)防震縫:①平面各項(xiàng)尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》相關(guān)的限值而無加強(qiáng)措施;②房屋有較大錯層;③各部分結(jié)構(gòu)的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施。

(11)結(jié)構(gòu)抗震等級掌握不準(zhǔn)。有的提高了，而有的又降低了，主要是對場地土類型、結(jié)構(gòu)類型、建筑高度、設(shè)防烈度等因素綜合評定不準(zhǔn)造成。

6 結(jié)語

建筑物抗震性能的優(yōu)劣受復(fù)雜因素的影響，一直存在諸多問題，對建筑物的安全帶來隱患。造成這些問題的原因是多方面的，有認(rèn)識方面的原因，有設(shè)計人員忽視了抗震概念設(shè)計方面的原因(未能從整體、全局上把握好)，有法律建設(shè)方面的原因(在工程抗震設(shè)防管理方面缺乏國家法律依據(jù)，特別是處罰方面)。因此，堅(jiān)決貫徹相關(guān)的建筑法律法規(guī)，貫徹高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是確保高層建筑抗震性能的基礎(chǔ)保障。

[1]呂文，錢稼茹.基于位移延性剪力墻抗震設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1999(3).

[2]中華人民共和國建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]周炳章.砌體房屋抗震設(shè)計[M].北京:地震出版社，1991.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.2008年汶川地震建筑震害圖片集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Design Principle on Anti－Seismic Structure of High－Rise Buildings and Existence Problem

LI Jia
(Kunming Yeyan New Materials Co.Ltd，Kunming 650031，China)

The concept and principle of earthquake resistance design for high－rise buildings were expounded，and the necessity and importance of taking seismic measures in high－rise buildings were discussed.

high－rise building;earthquake resistant behavior;design principle

TU3

A

1004－2660(2011)02－0038－03

2011－05－18.

李佳(1963－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:建筑工程施工管理.