高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

【摘要】為避免地震給人類帶來大的災(zāi)難，作為工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員在建筑結(jié)構(gòu)的研究和工程設(shè)計(jì)中，為創(chuàng)造出更加安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)美觀的建筑。應(yīng)從整體宏觀的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合處理好建筑功能、技術(shù)、藝術(shù)、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理等幾方面內(nèi)容。本文在高層建筑抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)和理念的基礎(chǔ)上，探討了影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的相關(guān)因素，并有針對(duì)性的提出了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策，希望能對(duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)中與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐和研究工作方向有關(guān)的參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；抗震性能；建筑結(jié)構(gòu)

高層建筑是指超過一定高度和層數(shù)的多層建筑。我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）規(guī)定，10層及10層以上或者房屋高度超過28m的混凝土結(jié)構(gòu)民用建筑物為高層建筑?，F(xiàn)代高層建筑是隨著城市的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的，它的發(fā)展有利于節(jié)約用地、解決住房緊張，減少市政基礎(chǔ)設(shè)施和美化城市空間環(huán)境。現(xiàn)代高層建筑設(shè)計(jì)為了追求多功能、多變的使用空間及豐富的立面設(shè)計(jì)效果，常采用較為復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)體系。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震工作一直是建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。

1.影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的相關(guān)因素

1.1地基

地基情況對(duì)于建筑物的震害有很大影響，地震時(shí)有一些建筑物往往主要由于地基失效而招致?lián)p壞。高層建筑的地基選取不恰當(dāng)可能導(dǎo)致抗震能力差。在具有較厚軟弱沖積土層場(chǎng)地，高層建筑的破壞率顯著增高，因此，高層建筑應(yīng)選擇位于開闊平坦地帶的堅(jiān)硬土場(chǎng)地或密實(shí)均勻中硬土場(chǎng)地， 遠(yuǎn)離河岸， 不垮在兩類土壤上。地基土液化會(huì)導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而引起上部結(jié)構(gòu)損壞或整體傾斜，所以高層建筑地基的選取應(yīng)避開不利地形、不采用震陷土作天然地基， 避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險(xiǎn)地段建造房屋。

1.2材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

在高層建筑中，特別是在地震多發(fā)區(qū)， 應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選?！疤顗蚣堋钡姆课萁Y(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切型破壞；“底框結(jié)構(gòu)”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用“填墻框架”體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑，因樓板沖切或因樓層側(cè)移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面；采用框架一抗震墻體系的房屋結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕。我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了90%以上，由于其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，而且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。現(xiàn)在我國(guó)鋼材生產(chǎn)數(shù)量、類型及品種逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，因此在超過一定高度后，由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小而且較柔，為減小風(fēng)振需要采用混凝土材料，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.3建筑物高度

按我國(guó)現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002） 規(guī)定，在一定設(shè)防烈度和一定結(jié)構(gòu)型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個(gè)適宜的高度。在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞形態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。超高建筑物的抗震能力會(huì)下降， 很多影響因素也發(fā)生變化。因?yàn)殡S著建筑物高度的增加，許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)（如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選?。┑缺旧沓隽爽F(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍。采用組合結(jié)構(gòu)體系的大廈，有高度達(dá)到400多米，采用混凝土結(jié)構(gòu)體系高度達(dá)到300多米。在震力作用下， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程預(yù)算的相應(yīng)參數(shù)需要重新選取。

1.4抗震設(shè)防烈度

我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是比較低的，中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)（50a）超越概率為10%的地震烈度。而且在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上遠(yuǎn)不如國(guó)外嚴(yán)格。隨著社會(huì)財(cái)富的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)失效帶來的損失愈來愈大，加之結(jié)構(gòu)造價(jià)在整個(gè)投資中的比例下降，因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采用彈性設(shè)計(jì)。此外，對(duì)于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個(gè)抗震設(shè)計(jì)原則，在新形勢(shì)下也應(yīng)嚴(yán)格審核。

2.優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的對(duì)策

2.1重視建筑場(chǎng)地的選擇

具有不同工程地質(zhì)條件的場(chǎng)地上，建筑物在地震中的破壞程度是明顯不同的。選擇對(duì)抗震有利的場(chǎng)地和避開不利的場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)，就能大大地減輕地震災(zāi)害。因此，應(yīng)加強(qiáng)地基勘察，應(yīng)采取有效措施。對(duì)于不利地段，這就考慮了地震因場(chǎng)地條件間接引起結(jié)構(gòu)破壞的原因。由于建設(shè)用地受到地震以外的許多因素的限制，除了極不利和有嚴(yán)重危險(xiǎn)性的場(chǎng)地以外往往是不能排除其作為建設(shè)用場(chǎng)地的。這樣就有必要按照?qǐng)龅?、地基?duì)建筑物所受地震破壞作用的強(qiáng)弱和特征進(jìn)行分類，以便按照不同場(chǎng)地特點(diǎn)采取抗震措施。盡量避開不利地質(zhì)環(huán)境，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)提出避開要求，如活動(dòng)斷層、溶洞、局部突出的山包等。當(dāng)無法避開時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸺訌?qiáng)措施，應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防類別、地基液化等級(jí)，分別采取加強(qiáng)地基和上部結(jié)構(gòu)整體性和剛度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施。

2.2科學(xué)運(yùn)用建筑材料及抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在高層建筑的抗震方案設(shè)計(jì)中，建筑結(jié)構(gòu)的材料選擇也非常重要?？梢詫?duì)建筑材料的參數(shù)進(jìn)行抗震性能的分析，從整體上對(duì)材料的參數(shù)變異性進(jìn)行研究， 選用符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)類別。同時(shí)，又不能僅考慮建筑材料的承載力忽略其他因素。從高層建筑建設(shè)施工的各方面，來選擇符合抗震需求而且經(jīng)濟(jì)適用的建筑結(jié)構(gòu)材料。按此標(biāo)準(zhǔn)來衡量， 使用不同材料的幾種結(jié)構(gòu)類型， 依其抗震延性性能優(yōu)劣的順序是： 鋼結(jié)構(gòu)， 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)， 現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 配筋砌體結(jié)構(gòu)。在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，可以從傳統(tǒng)的硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)嵯酀?jì)，有效地減弱地震作用過程中釋放的沖擊力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)若構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（強(qiáng)）”的原則。對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。

2.3合理分配設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)剛度、承載力和延性

力求對(duì)稱均勻是抗震概念設(shè)計(jì)十分重要的原則。“綜合抗震能力”的概念，就是要綜合考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力和構(gòu)造等因素衡量結(jié)構(gòu)抵抗地震作用的能力。地震時(shí)建筑物所受地震作用的大小與其動(dòng)力特性密切相關(guān)，與其具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性密切相關(guān)。房屋是縱、橫向承重構(gòu)件和樓蓋組成的一個(gè)具有空間剛度的結(jié)構(gòu)體系，其抗震能力的強(qiáng)弱取決于結(jié)構(gòu)的空間整體剛度和整體穩(wěn)定性。提高建筑物的抗震性能，最理想的措施是使結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件都具有較高的延性，采現(xiàn)澆樓、屋蓋是一種較好的增強(qiáng)樓房結(jié)構(gòu)空間剛度和整體穩(wěn)定性的方法，在適當(dāng)?shù)牟课辉鲈O(shè)構(gòu)造柱，并配置些構(gòu)造鋼筋，也能達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性的作用；另外，設(shè)置配筋圈梁可限制散落問題，增強(qiáng)空間剛度，提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，從而提高房屋的抗震性能。結(jié)構(gòu)主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形，因此，地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有同等重要的意義。為了使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震引起的動(dòng)力反應(yīng)過程中表現(xiàn)出必要的延性，就必須使塑性變形更多地集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構(gòu)件上。第一步是選擇一個(gè)可接受的塑性變形機(jī)構(gòu)；第二步是要通過人為增大各類構(gòu)件的抗剪能力，使其不致在強(qiáng)烈地震作用下，在結(jié)構(gòu)延性未發(fā)揮出來之前出現(xiàn)非延性的剪切破壞，這即是我們通常所說的強(qiáng)剪弱彎；第三步是通過相應(yīng)的構(gòu)造措施，保證可能出現(xiàn)塑性鉸的部位具有所需的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和塑性耗能能力。