基于高層建筑結(jié)構(gòu)淺析抗震設(shè)計的問題措施

欒潔 姜艷君

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化趨勢的加重，建筑用地日益緊縮，這就加快了高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。高層建筑節(jié)約了占地，但高層建筑結(jié)構(gòu)要求較高，尤其抗震設(shè)計和分析。因此，認識高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的問題尤為重要，從而找到抗震的有效措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震措施

一、高層建筑抗震設(shè)計中面臨的問題

1、建筑抗震設(shè)防程度低。目前我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)行的需要，建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度應(yīng)該得到大幅度的提高。我國現(xiàn)在所設(shè)定的抗震設(shè)防標準很低，較低的抗震設(shè)防烈度降低了高層建筑的抗震要求。

2、不合理地基的選取。高層建筑應(yīng)當建在堅硬或者中硬的土場地，不應(yīng)建在河岸上，不應(yīng)在兩類土壤上建筑，并且應(yīng)該避開不利的地形、不應(yīng)用震陷土作為天然的地基，避免在山崖、斷層、地陷、滑坡等抗震危險的地段建造房屋。地基選取的不恰當可能會導致抗震能力變差。

3、少數(shù)建筑高度太高。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，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態(tài)會發(fā)生很大的變化，建筑物的抗震能力會下降，很多影響因素也發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程預算的相應(yīng)參數(shù)需要重新選取。

4、建筑材料的不科學選用。因我國建筑物主要是以鋼筋混凝土核心筒為主的結(jié)構(gòu)形式，并且變形的控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準。但是因為建筑物的彎曲變形的側(cè)位移比較大，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，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

1、抗震措施。在對結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，除要考慮概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震驗算外，歷次地震后人們在限制建筑高度，提高結(jié)構(gòu)延性（限制結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)材料使用）等方面總結(jié)的抗震經(jīng)驗一直是各國規(guī)范重視的問題。當前，在抗震設(shè)計中，從概念設(shè)計，抗震驗算及構(gòu)造措施等三方面入手，在將抗震與消震（結(jié)構(gòu)延性）結(jié)合的基礎(chǔ)上，建立設(shè)計地震力與結(jié)構(gòu)延性要求相互影響的雙重設(shè)計指標和方法，直至進一步通過一些結(jié)構(gòu)措施（隔震措施，消能減震措施）來減震，即減小結(jié)構(gòu)上的地震作用使得建筑在地震中有良好而經(jīng)濟的抗震性能是當代抗震設(shè)計規(guī)范發(fā)展的方向。而且強柱弱梁，強剪弱彎和強節(jié)點弱構(gòu)件在提高結(jié)構(gòu)延性方面的作用已得到普遍的認可。

2、高層建筑的抗震設(shè)計理念。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對建筑的抗震設(shè)防提出“三水準、兩階段”的要求，“三水準”即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當遭遇第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段，建筑物處于正常使用狀態(tài)。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此，要求建筑結(jié)構(gòu)滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗算，要求建筑的彈性變形不超過規(guī)定的彈性變形限值。當遭遇第二設(shè)防烈度地震即相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時，結(jié)構(gòu)屈服進入非彈性變形階段，建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞。但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此，要求結(jié)構(gòu)具有相當?shù)难有阅芰Γㄗ冃文芰Γ┎话l(fā)生不可修復的脆性破壞。當遭遇第三設(shè)防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時，結(jié)構(gòu)雖然破壞較重，但結(jié)構(gòu)的非彈性變形離結(jié)構(gòu)的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴重破壞，從而保障了人員的安全。因此，要求建筑具有足夠的變形能力，其彈塑性變形不超過規(guī)定的彈塑性變形限值。

對建筑抗震的三個水準設(shè)防要求，是通過“兩階段”設(shè)計來實現(xiàn)的，其方法步驟如下：第一階段：第一步采用與第一水準烈度相應(yīng)的地震動參數(shù)，先計算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風、重力荷載效應(yīng)組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進行構(gòu)件截面設(shè)計，從而滿足第一水準的強度要求；第二步是采用同一地震動參數(shù)計算出結(jié)構(gòu)的層間位移角，使其不超過抗震規(guī)范所規(guī)定的限值；同時采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段：采用與第三水準相對應(yīng)的地震動參數(shù)，計算出結(jié)構(gòu)（特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié)）的彈塑性層間位移角，使之小于抗震規(guī)范的限值。并采用必要的抗震構(gòu)造措施，從而滿足第三水準的防倒塌要求。

三、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般的建筑物是由建筑物整體吸收地震動的振動能量。大地震時，會在大梁與柱子上發(fā)生損傷，并且有損壞建筑物功能之虞。另一方面，隔震結(jié)構(gòu)的建筑物則是在建筑物下方設(shè)置一種地震時比其他層產(chǎn)生更大水平變形的“隔震層”，使得上層建筑物不容易與地基共振，同時集中吸收振動能量。

1、構(gòu)成隔震層的隔震構(gòu)件

（1）鉛制緩沖構(gòu)件：利用高純度的鉛材料的塑性變形而制成的鉛緩沖器。除此之外，尚有利用摩擦原理的緩沖器，利用油通過小孔時的阻抗而成的緩沖器，以及利用黏滯體的剪斷阻抗原理而制成的緩沖器等。

（2）疊層橡膠：為了支承上方的建筑物，以及為了避免與地基共振，需要垂直方向堅硬，但水平方向柔軟的支座。疊層橡膠是將厚度數(shù)毫米的橡膠與鋼板交互重疊接合，施加熱與壓力，發(fā)揮橡膠特有的彈性，就能夠滿足這個條件。

（3）鋼制緩沖構(gòu)件：在隔震層吸收振動能量，擔任衰減振動的作用而制成的緩沖構(gòu)件。由于隔震層在水平方向產(chǎn)生很大的變形，因此根據(jù)變形狀況，采用將振動能量消耗的機制方為合理。

鋼條緩沖構(gòu)件是利用鋼料的塑性變形。

2、地震時建筑物搖動的比較

（1）隔震結(jié)構(gòu)的建筑物：由于隔震層在水平方向極為柔軟，于是地震時的大部分變形都集中在隔震層上?？删徍蜕喜拷Y(jié)構(gòu)的搖動，也不容易引起家具的傾倒及外墻的剝離，而且?guī)缀醪粫l(fā)生柱子與梁的損傷。適用于步行困難者利用的設(shè)施。

（2）一般的建筑物：一般的建筑物在地震時會將振動傳遞到整個建筑物，于是家具就會傾倒、外墻剝離，而且柱子與梁也產(chǎn)生損傷，各個樓層發(fā)生幾乎相同程度的變形。

（3）部分樓層柔軟的建筑物：如一樓挑空、二樓以上墻壁多的建筑物，當某一樓層比其他樓層柔軟時，地震時的變形就集中于柔軟的樓層，因此會有崩塌之虞。崩塌之樓層會出現(xiàn)極大的損害，縱然其他樓層的破壞較少，但是建筑物卻變得無法使用。

3、隔震層的位置

根據(jù)建筑物的功能與結(jié)構(gòu)性質(zhì)去選擇隔震層的位置?；A(chǔ)的隔震需要基坑，但是其與非隔震層部分之間的銜接，采用最低限度，就能夠給建筑物整體帶來隔震的效果。中間隔震層的電梯與樓梯的連接困難，適用于地下樓層多的情況，或無法設(shè)置基坑的情況時，還有地震時上方樓層比特定樓層更容易振動的構(gòu)造的情況時。這類情況之下，隔震構(gòu)件需要防火包覆。

4、隔震構(gòu)件的能力與特性

大變形時的垂直支承能力：隔震構(gòu)件要求即使在大變形時也能夠確實支承建筑物的質(zhì)量。疊層橡膠需要設(shè)計成當最大變形發(fā)生時重疊部分不得小于直徑1/2以下的尺寸。采用直徑小的疊層橡膠時，必須采用在大變形時可支承建筑物之質(zhì)量的構(gòu)造。

四、結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是一個完整、系統(tǒng)的概念，從場址的選擇到建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計，抗震設(shè)計貫穿了整個過程，而且建筑物的抗震設(shè)計是衡量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是否符合要求的重要指標。因此，準確、合理的運用不同的抗震設(shè)計方法是非常重要的，對于不同的建筑和不同的情況應(yīng)區(qū)別對待，從而尋求最合理的抗震設(shè)計。