關(guān)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計的探討

薛毅明 顏雙月

摘 要：高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能設計，對于預防和避免地震時建筑發(fā)生倒塌，減少人員傷亡起到一定的作用。本文通過分析高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的特征及設計原則，提出高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設計

高層建筑混凝土的抗震結(jié)構(gòu)設計對減輕地震災害，起到根本的作用。在高層建筑抗震設計中，常出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)布置、框架結(jié)構(gòu)設計不合理等問題而發(fā)生震害。因此在建筑抗震結(jié)構(gòu)設計及內(nèi)力分析方面，應充分考慮到建筑自身的空間結(jié)構(gòu)、材質(zhì)質(zhì)量等多個重要因素，以提高高層混凝土建筑的抗震性能。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的特征

混凝土結(jié)構(gòu)建筑的樓層在10層或10層以上，或者建筑高度超過28m，定義為高層建筑。從定義中可看出高層建筑的特點體現(xiàn)在層數(shù)和高度上，而高層建筑更本質(zhì)的特點是水平荷載設計起到關(guān)鍵作用。在高層建筑中研究建筑的抗側(cè)力能力是抗震設計的重點，地震荷載和風荷載主要作用于建筑的水平力，其中地震荷載起控制的作用。破壞時間短，無規(guī)律的作用強度大，水平方向上的振動加以扭轉(zhuǎn)振動是地震力對建筑的破壞特點。在設計過程完全應用彈性理論來設計以提高建筑的抗震性能是不可行的。因為會增加抗側(cè)構(gòu)件的數(shù)量，使結(jié)構(gòu)的自重增加，導致在地震中，由于建筑自身的慣性力過大，使抗震性能降低。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設計原則

2.1 結(jié)構(gòu)布置。平面布置是指在建筑設計的平面圖上，將柱和墻的位置以及對樓蓋具有的傳力作用進行合理的設置。依據(jù)建筑的抗震性能來看，最關(guān)鍵的是盡量將建筑結(jié)構(gòu)平面的剛度中心與質(zhì)量中心相靠近或相重合，以降低地震力對建筑的破壞力。為了減輕建筑自身的重量，在設計時應以結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則、對稱為宜。結(jié)構(gòu)的剛度在豎向上應保持均勻，可盡量較為規(guī)則的設計豎向結(jié)構(gòu)，少做平面上的變化。在安全規(guī)定內(nèi)設計結(jié)構(gòu)的高度和寬度，并且需限制兩者的比值，以使結(jié)構(gòu)有較好的整體剛度和穩(wěn)定性。

2.2 防震縫設置。建筑平面結(jié)構(gòu)復雜時，可通過使用防震縫，將復雜面劃分為簡單且規(guī)則的平面，但是在高層建筑中，不宜使用防震縫。如果無法避免設縫，那么應根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，按照需要較寬的規(guī)定來設置寬度。建筑的高度不超過15m，其防震寬度宜采用70mm；高度大于15m，應根據(jù)不同的度數(shù)相應的增加高度和防震縫寬度。

2.3 材料選取。以具有抗震性能的混凝土結(jié)構(gòu)，在材料的選擇上，需遵循以下原則：對于一級抗震的建筑而言，混凝土結(jié)構(gòu)框架的柱、梁等構(gòu)件的材料選擇不宜小于C30，且芯柱、構(gòu)造柱、圈梁等其他類型的構(gòu)件材料也不宜小于C20。考慮普通鋼筋的受力等級，使用HRB335級和HRB400級熱軋鋼筋來承受結(jié)構(gòu)的縱向力，使用HPB235、HRB335和HRB400級的熱軋鋼筋作為箍筋，普通鋼筋的選用應考慮其韌性、延性及可焊性?？拐鸬燃墳橐?、二級的混凝土框架結(jié)構(gòu)，需測量普通鋼筋的在縱向上的抗拉強度和屈服強度，兩者實際測量的比值不小于1.25，并且鋼筋的強度標準值與實際測量出屈服強度的數(shù)值，兩者的比值不大于1.3。

2.4 截面設計。由梁、柱、抗震墻及連梁等組合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)截面，在進行剪力的設計時需遵循，梁和連梁的跨高比大于2.5，結(jié)構(gòu)的柱和抗震墻的剪跨比大于2，要求V≤1/γRE（0.20fcbh0）；柱和抗震墻的剪跨比小于2、結(jié)構(gòu)的梁和連梁跨高比小于2.5、抗震墻的底部以及其部分的框支架和框支柱，要求V≤1/γRE（0.15fcbh0）。

3 高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設計

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應用于發(fā)展中國家，因其相對于鋼結(jié)構(gòu)的造價較低，有豐富的材料來源，并且在建筑中能澆筑成各類復雜的斷面結(jié)構(gòu)。同時建筑所用的鋼材量少，承載力也不低，豎向剛度大，結(jié)構(gòu)的連接點澆筑可靠，經(jīng)過合理的設計后具有很好的抗震性能。高層建筑的主要結(jié)構(gòu)類型有鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。

3.1 增加抗彎結(jié)構(gòu)寬度。增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計中能提高建筑的抗傾覆力矩，并且側(cè)移三次方的比例能得到減小，利用結(jié)構(gòu)力學中的彎矩平衡法進行計算可更好的理解這一設計方式。在實際的建筑工程的設計中，豎向構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體系中的良好連接是必須要做到的。在框架結(jié)構(gòu)設計中，設計構(gòu)件應遵循強壓弱拉、強柱弱梁、強節(jié)點弱桿件和強剪弱彎的原則。在實際當中，為實現(xiàn)框架與剪力墻的協(xié)同一致需控制各層樓板的變形量。剪力墻的主要受力是彎曲變形，結(jié)構(gòu)的主要受力是剪切變形，將兩者進行有效協(xié)調(diào)變位，能實現(xiàn)框架抗震。

3.2 設計構(gòu)件布置方式。結(jié)構(gòu)設計中的抗力構(gòu)件的布置應發(fā)揮最有效的作用，以提高結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)力，例如斜撐、水平撐及桁架體系等。在實際的設計中，不宜忽略其在結(jié)構(gòu)中的作用，應根據(jù)具體受力狀態(tài)，發(fā)揮桿件的抗拉和抗壓能力。交叉撐或斜撐是最有效抗衡抗側(cè)力的鋼骨混凝土構(gòu)件，其構(gòu)件可完全適應受拉或受壓的狀態(tài)，且可充分是鋼材抗拉能力和混凝土構(gòu)件的抗壓能力得到發(fā)揮的同時，又可在水平方向上增大架構(gòu)的抗側(cè)移剛度，以增強高層建筑緩凝土結(jié)構(gòu)抗震作用。

3.3 增加承受荷載的構(gòu)件截面。在實際結(jié)構(gòu)的設計中對承受地震力的構(gòu)件應增大構(gòu)件的最大部分截面，主要表現(xiàn)為在底部中應用加強層。通常情況下在剪力墻底部的加強層，其高度應設計與底部兩層的較大值，或1/8的墻肢總高度相接近。高度大于150m的剪力墻，墻肢總高度的1/10是其底部加強部位的高度。為保證結(jié)構(gòu)的延性需要對截面的尺寸進行限制，以防止產(chǎn)生脆性破壞，尤其對于抗震結(jié)構(gòu)的截面限制條件更為嚴格，將x設為混凝土受壓區(qū)域梁端截面構(gòu)建的高度，考慮鋼筋的受力情況，計算結(jié)果應符合以下條件；一級，x≤0.25h0；二、三級，x≤0.35h0，H0表示為截面的有效高度。

3.4 發(fā)揮樓蓋的水平隔板作用。在建筑結(jié)構(gòu)設計中將豎向的受力構(gòu)件，也設計為是受彎構(gòu)件，主要抗傾覆構(gòu)件能在壓力作用下，保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時能減少增加的構(gòu)件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)自重，降低工程造價。在高層建筑中，實際樓蓋發(fā)揮的隔板作用應符合計算假定：假定全部樓層采用剛性樓板。這主要因為結(jié)構(gòu)樓板的剛度足夠，樓板有一定的厚度并配有鋼筋，且在平面內(nèi)的開洞進行了限制。如果假定不符合，在地震力的作用下樓板會成為薄弱層，結(jié)構(gòu)會在層高處豎向構(gòu)件發(fā)生破壞，導致結(jié)構(gòu)整體發(fā)生垮塌。

4 結(jié)語

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設計，是目前我國當代社會所關(guān)注的問題。在建筑前期做好平面結(jié)構(gòu)布置、混凝土材料選用及鋼筋混凝土框架的結(jié)構(gòu)設計，以提高建筑的抗震性能。隨著高層建筑在抗震設計方面的不斷探索，將會使高層建筑的抗震性能得到不斷的提高，地震帶來的損失也將有所減小。

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作者簡介：薛毅明（1980- ），遼寧興城人，沈陽盛騰建筑設計有限公司，結(jié)構(gòu)工程師，中級；顏雙月（1982- ），福建仙游人，中國中建設計集團有限公司遼寧分公司，結(jié)構(gòu)工程師，中級。