高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計淺析

摘要：隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的高層建筑，高層建筑結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，因我國是多地震國家，地震會造成建筑物災(zāi)害發(fā)生，對人們的生命財產(chǎn)造成嚴重的損失，因此，對高層建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計是非常重要的。本文首先分析了地震對高層建筑的影響，然后歸納了高層建筑抗震設(shè)計中出現(xiàn)的問題，最后詳細闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要點。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震；地基；抗震防線；隔震

一、地震對高層建筑的影響分析

（一）對高層建筑構(gòu)件形式方面

1、在高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中，通常地震對板和梁的破壞程度輕于柱；

2、地震作用經(jīng)常在多肢剪力墻（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的窗下引起交叉斜向的裂縫；

3、如果混凝土柱配置螺旋箍筋，即使地震引起較大的層間位移，對柱以及核心混凝土作用并不明顯；

4、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，如長、短柱并用于同一樓層，長柱受損害較輕。

（二）對高層建筑結(jié)構(gòu)體系方面

1、對于鋼筋混凝土柱、板體系的高層建筑，各層樓板因樓層柱腳破壞或者側(cè)移過大以及樓板沖切等因素而在地面墜落重疊；

2、對于“填墻框架”體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，因而容易發(fā)生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現(xiàn)象；

3、對于“填墻框架”體系的高層建筑，地震對采用敞開式框架間未砌磚墻的底層破壞嚴重；

4、對于框架-抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大；

5、對于“底框結(jié)構(gòu)”體系的高層建筑，地震嚴重破壞剛度柔弱的底層。

（三）對高層建筑地基方面

1、如果地基自振周期與高層建筑結(jié)構(gòu)的基本周期相同或相近，地震作用因共振效應(yīng)而增加；

2、如果高層建筑處在危險和地形不利的區(qū)域，則容易使高層建筑因地基破壞而受損；

3、地基處地質(zhì)不均勻，在地震作用下容易使上部結(jié)構(gòu)傾斜甚至倒塌；

4、若高層建筑的地基處有較厚的軟弱沖積土層，則地震作用對高層建筑的損害顯著增大。

（四）對高層建筑剛度分布方面

1、對于采用L形以及三角形等平面不對稱的高層建筑，地震作用能夠使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，因而損害現(xiàn)象嚴重；

2、對于采用矩形平面布置的高層建筑結(jié)構(gòu)，如果該建筑的抗側(cè)力構(gòu)件（如電梯井等）布置存在偏心情況時時，同樣會使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。

二、高層建筑抗震設(shè)計中出現(xiàn)的問題

（一）部分建筑物高度過高

按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(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適宜的高度。在這個高度上抗震能力還是比較穩(wěn)妥的，但是目前不少高層建筑超過了高度限制。在震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性會發(fā)生很大的變化，建筑物的抗震能力下降，很多影響因素也發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程預(yù)算的相應(yīng)參數(shù)需要重新選取。

（二）地基的選取不合理

由于城市人口的增多和相對空間的縮小，不少建筑商忽略了這一問題，哪里商業(yè)空間大就在哪里建。高層建筑應(yīng)選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻中硬土場地，遠離河岸，不應(yīng)垮在兩類土壤上，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、地陷等抗震危險地段建造房屋。高層建筑的地基選取不恰當可能導(dǎo)致抗震能力差。

（三）材料的選用不科學(xué)，構(gòu)造體系不合理

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。由于我國建筑結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側(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)的負擔(dān)，而且效果不大，有時不得不加大混凝土的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要點

（一）選擇合理科學(xué)的場地地基

選擇場地地基首先要依據(jù)實際工程需求，同時還要考慮地震活動情況。分析天然地基時的抗震承載力要按照不同的場地來進行，此外，根據(jù)不同場地來分析地震所導(dǎo)致的危害度。如果有必要，可使用規(guī)范的地基來進行處理?？筛鶕?jù)地震強度、場地土的厚度、斷裂的地質(zhì)歷史來明確避讓距離，從而對場地范圍內(nèi)的地震斷裂的確定有利。一定要保證避開對不利的建筑地段來進行場地地基的選擇，如果依法避開，可以運用合適的抗震措施來進行。

（二）重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

歷史上，因為建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性對抗震效果產(chǎn)生不好的影響的例子，經(jīng)常發(fā)生。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，需要防止嚴重外形不規(guī)則的設(shè)計方案。一個合理的結(jié)構(gòu)，其平面布置需要符合下列幾點要求：

1、長度要適當，不能太長；

2、平面規(guī)則、對稱、不偏心；

3、角部重疊或細腰形的不能采取。

其豎向布置需要符合下列幾點要求：

1、體形應(yīng)規(guī)則，防止過分外凸或內(nèi)凹；

2、對于特別不規(guī)則的，不能防止的結(jié)構(gòu)，運用大震作用進行結(jié)構(gòu)易損部位（薄弱層）的塑性變形驗算。

（三）選擇合適的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑的抗震設(shè)計原則是“小震（烈度約為5.45度）不壞、中震（烈度為7度）可修、大震（烈度為8度）不倒”，這就要求建筑結(jié)構(gòu)一定要具備一定的剛度、延性與承載力。在我國，高層建筑的結(jié)構(gòu)體系大對數(shù)使用剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)三種。其中，框架結(jié)構(gòu)適用于普通高度的高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)適用于高層住宅；框架剪力墻結(jié)構(gòu)則適用于綜合樓與辦公樓。

（四）設(shè)置多道抗震防線

由兩個與兩個以上同時延性較好的分體系組成一個好的抗震結(jié)構(gòu)體系，這是由于發(fā)生地震時，通常帶有余震，若只有一道防線，很難防止由于某一結(jié)構(gòu)損傷而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)坍塌。所以，在構(gòu)建抗震結(jié)構(gòu)體系時，首先要有最大可能數(shù)量的內(nèi)外部冗余度，其次要建立一套分布完整的屈服體系，最后該體系的主要耗能構(gòu)件一定要有較高的延性與充足的剛度，以確保建筑物在遭遇地震災(zāi)害時，由于強烈的地震作用第一道防線崩潰的狀況下，抵擋后續(xù)地震波的沖擊還需要第二道、第三道防線。

（五）加強薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計

“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固”是我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中始終要遵循的原則之一，這就要求我們要加強對薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計。在設(shè)計的過程中要注意以下幾點：

1、有目的性地控制薄弱部位，確保其在地震作用中，既有足夠的變形能力，又不發(fā)生位移。

2、要對構(gòu)件的實際承載力進行分析，以此判斷薄弱層的基礎(chǔ)是否滿足抗震要求。

3、確保薄弱部位的實際承載力與設(shè)計彈性受力比保持在一個相對穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)。

4、注意協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力，避免局部過強。

（六）建筑結(jié)構(gòu)消震和隔震設(shè)計

在消能減震與隔震設(shè)計方面，可以選擇密實度高的地基，還能運用下列幾點措施。

首先，在選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料上，要選擇延性好的，以消耗地震能量，確保在地震作用下建筑物不倒塌；

其次還可依據(jù)建筑的實際需求，設(shè)計適宜的隔震系數(shù)，設(shè)置某種隔震裝置在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間進行設(shè)置，致使地震能量降低向上部的輸入，進而使上部結(jié)構(gòu)振動降低，基礎(chǔ)隔震類型主要有摩擦滑移隔震、疊層橡膠支座隔震、支承式擺動隔震、混合隔震、滾動隔震等；

除此之外，改變結(jié)構(gòu)體系的動力特性，可對結(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件作構(gòu)造上的處理，或附加子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或消能裝置在結(jié)構(gòu)的一些部位。當前常用的消能減震裝置有摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器、勃彈性阻尼器、勃性液體阻尼器、鉛擠壓阻尼器等。

參考文獻

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