關(guān)于高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思考

殷濤

摘要：本文首先分析了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，重點(diǎn)闡述了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，供大家參考。

關(guān)鍵詞：高層混凝土建筑；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；思考

1 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

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

1.1.1 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。

1.1.2 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。

1.1.3 承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

1.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線

1.2.1 一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)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。如框架抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個(gè)系統(tǒng)組成，雙肢或多肢抗震墻體系由若干個(gè)單肢墻分系統(tǒng)組成。

1.2.2 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(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌?？拐鸾Y(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(shí)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(shí)倒塌。

1.2.3 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(zhǎng)階段，保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。

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

1.3 對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力。

1.3.1 構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)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)。

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

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

1.3.4 在抗震設(shè)計(jì)中有意識(shí)、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。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 采用合理的建筑結(jié)構(gòu)體系

建筑布局除考慮功能要求外，結(jié)構(gòu)單元抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置宜規(guī)則、對(duì)稱，受力明確，傳力合理，傳力途徑不間斷，并應(yīng)具有良好的整體性。

2.1.1 抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)布置合理。如在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜均增布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位，剪力墻間距不宜過(guò)大；平面形狀凹凸較大時(shí)，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻；縱、橫剪力墻宜組成L型、T型和[型等形式；剪力墻宜貫通建筑物的全高，避免剛度突變；剪力墻開(kāi)洞口宜上下對(duì)齊；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻的布置宜使結(jié)構(gòu)各主軸方向的側(cè)向剛度接近。

2.1.2 結(jié)構(gòu)的整體性要好。高層建筑結(jié)構(gòu)中，樓蓋對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體性起到非常重要的作用。樓蓋相當(dāng)于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個(gè)豎向抗側(cè)力的子結(jié)構(gòu)，而且要使這些子結(jié)構(gòu)能協(xié)同承受地震作用，特別是當(dāng)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)布置不均勻或布置復(fù)雜或各抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)水平變形特征不同時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)就要依靠樓蓋使各抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)能協(xié)同工作。樓蓋體系最重要的作用是提供足夠的平面內(nèi)剛度和抗力，并與豎向各子結(jié)構(gòu)有效連接。所以房屋的頂層、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、平面復(fù)雜或開(kāi)洞過(guò)大的樓層、作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部分的地下室樓層應(yīng)采用現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)。

2.2 概念設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選擇

在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，以明確結(jié)構(gòu)體系地震作用的傳遞途徑，同時(shí)也使得結(jié)構(gòu)擁有更多的抗震防線。結(jié)構(gòu)最大且適用高度等應(yīng)控制在規(guī)范的允許范圍之內(nèi)，以便結(jié)構(gòu)擁有足夠的延性。在剪力墻的布置上理應(yīng)對(duì)稱與均勻，而且應(yīng)在橫縱兩方向上都要合理布置，使得兩個(gè)主軸方向上的剛度能保持一致；墻體上的開(kāi)洞盡量少，若必須開(kāi)洞，則應(yīng)保證洞口的齊整，要避免隨意的開(kāi)洞；高層混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在截面尺寸、受力鋼筋及箍筋等方面的設(shè)置應(yīng)控制恰當(dāng)；在結(jié)構(gòu)構(gòu)建的裝配及連接上，要保證其結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)建的預(yù)應(yīng)力鋼筋而言，錨固在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)之外最佳。

2.3 減少地震發(fā)生時(shí)能量的輸入

在具體的設(shè)計(jì)中，積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對(duì)具體的方案進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的變形彈性滿足預(yù)期地震作用力下的變形需求。對(duì)建筑構(gòu)件的承載力進(jìn)行驗(yàn)收的同時(shí)，還要控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移限值；并且根據(jù)建筑構(gòu)件的變形和建筑結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；根據(jù)建筑界面的應(yīng)變分布以及大小，來(lái)確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。對(duì)于高層建筑，在堅(jiān)固的場(chǎng)地上進(jìn)行建筑施工，可以有效減少地震發(fā)生作用時(shí)能量的輸入，從而減弱地震對(duì)高層建筑的破壞。

2.4 運(yùn)用高延性設(shè)計(jì)、推廣消震和隔震措施

在我國(guó)，許多高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多采用延性結(jié)構(gòu)，也就是適當(dāng)控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度，允許地震時(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)入到具有很大延性的塑性狀態(tài)，從而消耗地震作用時(shí)的能量，使地震反應(yīng)減小，減弱地震給高層建筑帶來(lái)的破壞。如果某高層建筑的承載能力較小，但是具有較高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因?yàn)檠有詷?gòu)件可以吸收較多的能量，經(jīng)受住很大的結(jié)構(gòu)變形。延性結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，在很多情況下是有效的，它可以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。

2.5 高度的確定

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- 2010）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。這個(gè)高度是我國(guó)目前建筑科研水平，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平下，較為穩(wěn)妥的，也是與目前整個(gè)土建規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的?？蓪?shí)際上，已有許多混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑的高度超過(guò)了這個(gè)限制。對(duì)于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度：一要有專家論證，二要有模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。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)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。

2.6 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的提升

高層建筑與一般建筑之間的區(qū)別在于受力特性上，尤其是在地震區(qū)開(kāi)展高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要保證足夠大的剛度與強(qiáng)度，更應(yīng)具備良好的抗震性能。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)與研討，使得建筑結(jié)構(gòu)抗震性能得到提升，最終實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，有些地區(qū)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候利用了塑性變形來(lái)吸收地震產(chǎn)生的能量，從而實(shí)現(xiàn)地震破壞的減小，這種方法已經(jīng)得到了一定的推廣及應(yīng)用，取得了良好的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盡管我國(guó)在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，仍然混凝土抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題依然是一個(gè)龐大復(fù)雜的課題，需要在未來(lái)的不斷實(shí)踐和研究中，進(jìn)一步的深入探討，應(yīng)用更好的新興抗震技術(shù)，更好的保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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