高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

成茂奇

摘要：近些年來高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越重視抗震性能設(shè)計(jì)。本文分析了影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震效果的主要因素，闡述高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震；結(jié)構(gòu)；抗震防線；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震效果的因素

（一）高層建筑自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑中抗水平力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要矛盾，據(jù)不同側(cè)力及抗震等級采用不同結(jié)構(gòu)體系。高層建筑從其本質(zhì)上是懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸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，隨建筑物增高僅引起數(shù)量增加，而水平荷載來自任何方向，均布荷載與建筑物高度大體為二次方變化。一般情況下水平荷載遠(yuǎn)大于垂直荷載影響。應(yīng)使結(jié)構(gòu)要有較大強(qiáng)度外還要有足夠剛度。

高層建筑常用結(jié)構(gòu)類型有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)整體自重輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工工期短等特點(diǎn)，且截面相對較小，有很好延性，適合柔性方案，其缺點(diǎn)是造價(jià)較高。當(dāng)場地土特征周期較長時(shí)易發(fā)生共振。鋼筋砼結(jié)構(gòu)剛度大、空間整體性能好、造價(jià)相對較低及材料來源也較豐富，較適用承載力大，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。不利因素是結(jié)構(gòu)自重大、抵抗塑性變形能力差，施工周期較長。因此高層建筑采取何種形式應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)體系和材料特性，同時(shí)取決于場地土類型，避免場地土和建筑發(fā)生共振，而使振害更加加重。

（二）高層建筑結(jié)構(gòu)施工材料和過程

高層建筑結(jié)構(gòu)施工原材料對其抗震效果有直接影響，因此施工建設(shè)中應(yīng)明確施工材料重要性。通常情況下建筑物建設(shè)質(zhì)量越高，地震對建筑物的作用力越小，在同等地震環(huán)境下建筑施工中使用性能越好的材料，其受到地震作用力也越小，而如無法保證材料使用性能，就會(huì)受到較大地震作用力。在高層建筑施工建設(shè)中選擇建筑材料時(shí)建議采用塑料板材、空心磚及加氣混凝土板等，這些質(zhì)輕材料對保證建筑物抗震性能都十分有利。

高層建筑施工中為較好的保證其抗震效果，還應(yīng)保證施工中每個(gè)環(huán)節(jié)和每道工序質(zhì)量，應(yīng)高度重視施工中各項(xiàng)管理工作，同時(shí)建立完善施工監(jiān)管規(guī)范制度，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙及施工規(guī)范施工，保證高層建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，確保其抗震效果。

（三）場地選擇

場地選擇對高層建筑至關(guān)重要。地震造成的破壞除地震直接引起結(jié)構(gòu)破壞外還有場地條件原因。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，其對高層建筑結(jié)構(gòu)破壞的原因有很多方面，最主要的是地表滑坡、山體崩塌及巖石斷層等導(dǎo)致地表發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使建筑結(jié)構(gòu)受到破壞，而水災(zāi)和海嘯等地震帶來的次生災(zāi)害也會(huì)破壞建筑物。因此選擇有利抗震建筑場地，是減輕地震災(zāi)害的第一道工序，抗震設(shè)防區(qū)建筑工程應(yīng)選有利地段，應(yīng)避開不利的地段。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）選擇有利場地

高層建筑選擇建筑場地時(shí)應(yīng)據(jù)工程需要和地震活動(dòng)情況、工程地質(zhì)情況和地震地質(zhì)情況有關(guān)資料，對抗震有利、一般、不利和危險(xiǎn)地段做綜合評價(jià)。對不利地段應(yīng)提出避開要求；當(dāng)無法避開時(shí)應(yīng)采取有效措施。對危險(xiǎn)地段不應(yīng)建設(shè)高層，減少建筑物先天缺陷，最大限度降低地震災(zāi)害發(fā)生造成損失。

（二）合理建筑結(jié)構(gòu)體系及參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算分析

高層建筑抗震設(shè)計(jì)必須正確選擇合理結(jié)構(gòu)體系，正確認(rèn)識(shí)其受力特點(diǎn)，選擇合理結(jié)構(gòu)布置，協(xié)調(diào)好建筑與結(jié)構(gòu)關(guān)系，提高整體抗震性能。

建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合比較確定。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)滿足：（1）應(yīng)具有明確計(jì)算簡圖和合理地震作用傳遞途徑；（2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗振能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；（3）應(yīng)具備必要抗震承載力，良好變形能力和消耗地震能量能力；（4）對可能出現(xiàn)的薄弱部位采取措施提高抗震能力。

對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時(shí)采用不少于兩個(gè)不同力學(xué)模型。目前主要有兩種計(jì)算理論：剪摩理論和主拉應(yīng)力理論，它們有各自適用范圍：磚砌體一般采用主拉應(yīng)力理論，而砌塊結(jié)構(gòu)可采用剪摩理論。對計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)計(jì)算控制主要計(jì)算結(jié)果有結(jié)構(gòu)自振周期、位移、平動(dòng)及扭轉(zhuǎn)系數(shù)、層間剛度比、剪重比、有效質(zhì)量系數(shù)等。另外地下室水平位移嵌固位置，轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作依據(jù)。復(fù)雜高層建筑抗震計(jì)算時(shí)宜考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不應(yīng)小于15，對多塔結(jié)構(gòu)振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量90%。總之高層結(jié)構(gòu)計(jì)算很難一次完成，應(yīng)據(jù)試算結(jié)果，按上述要求多次調(diào)整，得到較為合理計(jì)算結(jié)果，以保證建筑物安全。

（二）層間位移限制

高層建筑物在遭受地震作用下，一般樓層間會(huì)產(chǎn)生一定位移，從而致使各樓層間錯(cuò)位，如樓層間位移超過限制會(huì)發(fā)生倒塌現(xiàn)象。據(jù)以往地震研究發(fā)現(xiàn)，層間位移限度不僅與建筑施工所使用材料有關(guān)，且還與整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。一般鋼筋混凝土相對于純鋼結(jié)構(gòu)來說，對高層建筑層間位移限制較嚴(yán)格；風(fēng)荷載作用下限度相對來說要求較嚴(yán)格。一般基于位移抗震設(shè)計(jì)方法以結(jié)構(gòu)容許位移為出發(fā)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)最后以結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，充分考慮各部件破壞。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮，設(shè)計(jì)出有較強(qiáng)剛度又有較高承載力高層建筑。

高層建筑控制建筑位移除應(yīng)從平面體型和立面變化等方面考慮提高總體剛度以減少結(jié)構(gòu)的位移，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)加強(qiáng)整體性及剛度，加強(qiáng)構(gòu)件連接使結(jié)構(gòu)各部分以更有效方式共同作用。還要加強(qiáng)基礎(chǔ)整體性，以減少基礎(chǔ)平移或扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)側(cè)移影響。同時(shí)注意加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位和應(yīng)力復(fù)雜部位強(qiáng)度。對高寬比嚴(yán)格限制，確保層間位移在規(guī)定范圍內(nèi)。

（三）控制地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

對建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響應(yīng)充分引起我們注意。因?yàn)樵诎l(fā)生地震時(shí)建筑物各樓層間所發(fā)生形變量不同。其中距離建筑中心遠(yuǎn)構(gòu)件發(fā)生形變量較大，距離建筑結(jié)構(gòu)中心近的構(gòu)件發(fā)生形變量較小。同時(shí)由于發(fā)生層間位移，所以各樓層中心就不在一條直線上。所以在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)為層間形變預(yù)留較大空間，對樓層間支撐柱體應(yīng)注意加強(qiáng)其扭轉(zhuǎn)能力和恢復(fù)力，這樣在地震時(shí)就可有彈性形變，不至于因扭轉(zhuǎn)超過限制而發(fā)生倒塌情況。要把使用要求及建筑體型多樣化和結(jié)構(gòu)的要求有機(jī)結(jié)合起來，形成側(cè)向穩(wěn)定體系，最大限度減少地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（四）減小地震能量輸入

具體設(shè)計(jì)中積極采用基于位移結(jié)構(gòu)抗震方法，對具體方案進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)彈性變形滿足預(yù)期地震作用力下變形需求。對建筑構(gòu)件承載力進(jìn)行驗(yàn)算同時(shí)，還要控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下層間位移限值；且據(jù)建筑構(gòu)件變形和建筑結(jié)構(gòu)位移間關(guān)系，確定構(gòu)件變形值；據(jù)建筑界面應(yīng)變分布及大小，來確定建筑構(gòu)件構(gòu)造要求。對高層建筑在有利場地上進(jìn)行建筑施工，可有效減少地震發(fā)生作用時(shí)能量輸入，從而減弱地震對高層建筑破壞。

高層建筑應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有一定塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生能量，減弱地震破壞影響。必要時(shí)采取一定減震和消能減震措施 。

結(jié)語

綜上，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到的總體要求是“小震不壞，中震可修，大震不倒”這一目的，必須進(jìn)行嚴(yán)格的選型、分析和計(jì)算。高層建筑是當(dāng)下建筑發(fā)展的主要趨勢，其抗震設(shè)計(jì)是高層建筑設(shè)計(jì)的重中之重。

參考文獻(xiàn)

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