談高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 璐

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024)

談高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 璐

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024)

結(jié)合高層混凝土建筑在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的要求，對地震災(zāi)害中高層建筑的破壞特點進(jìn)行了分析，提出了改善高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，旨在提高高層混凝土建筑的抗震性能。

混凝土建筑，抗震結(jié)構(gòu)，加固設(shè)計，破壞特點

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口的增加，高層建筑逐漸成為了建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢。而在高層建筑的發(fā)展過程中，高層建筑的安全問題也逐漸凸顯了出來，如何提高高層混凝土建筑的抗震性能成為建筑行業(yè)需著重考慮的問題。但在提高高層混凝土建筑抗震性能時應(yīng)首先明確高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，才能抓住抗震設(shè)計的核心，提高高層混凝土建筑的抗震性能。

1 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求

高層混凝土建筑在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)保證建筑在遭受強(qiáng)震的過程中不倒，在中等地震中經(jīng)過維護(hù)還能繼續(xù)使用，在輕微的地震中保持穩(wěn)固，將損壞降低到最小。高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計要達(dá)到抗震設(shè)計的要求，應(yīng)做到剛?cè)岵⑦M(jìn)，綜合考慮建筑的受力情況，做好強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計，并根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的特點，進(jìn)行具體的設(shè)計，保證高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計符合要求。

1.1 綜合性要求

在對高層混凝土建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意建筑的剛度設(shè)計要求，利用物理學(xué)中的力學(xué)知識合理判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的力學(xué)特點，了解機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行、建筑材料的要求以及具體的施工場地。根據(jù)這些因素確定混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的剛度值，充分考慮各部分的建筑結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計，在設(shè)計過程中根據(jù)實際情況予以不斷調(diào)整，逐漸提高高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能，使抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠抵抗強(qiáng)等級的地震，即使建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生輕微變形的情況下，建筑也能通過自我的調(diào)整，保證建筑的安全性[1]。各類建筑結(jié)構(gòu)抗震性能見表1。

1.2 具體要求

高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計在規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)，需要充分考慮各方面的因素，尤其應(yīng)著重考慮關(guān)鍵部分的連接點作用與不同構(gòu)件的受力情況，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)要求，保證各連接點與構(gòu)件在地震中能發(fā)揮其作用。而在剛度方面，應(yīng)注意剛度值的具體要求，若高層混凝土建筑的剛度值過低，建筑在強(qiáng)震中會受到嚴(yán)重的破壞，直接損壞建筑的主體結(jié)構(gòu)，而在地震過后余震的作用下，建筑很可能會直接倒塌。除了混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的剛度值問題，建筑的延展性也應(yīng)引起重視，保障建筑的強(qiáng)度與剛度在合理的范圍內(nèi)，促進(jìn)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計效用的發(fā)揮。

表1 各類建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能

2 地震發(fā)生過程中高層混凝土建筑的破壞特點

2.1 地基破壞特點

高層混凝土建筑在地震發(fā)生過程中，若地基的土層較軟弱，地基會因土體的液化而發(fā)生沉降，進(jìn)而破壞地基，造成建筑上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，最終使得建筑在地震作用下發(fā)生坍塌；除此之外，高層建筑若在一些危險地帶修建，尤其是在一些泥石流、滑坡等多發(fā)地段，在地震發(fā)生時，危險地帶在地震的作用力下會產(chǎn)生二次性傷害，導(dǎo)致建筑的基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，引發(fā)建筑裂縫的產(chǎn)生，并在共振效應(yīng)下，損壞建筑的上部結(jié)構(gòu)，引發(fā)無可挽回的結(jié)果。

2.2 結(jié)構(gòu)體系破壞特點

高層混凝土建筑為框架填充墻結(jié)構(gòu)時，在地震的作用力下，建筑整個平面中的內(nèi)框架柱上部容易引發(fā)剪切型的破壞，窗洞會因窗下墻的作用引發(fā)短柱性的損壞。但建筑若為框架剪力墻結(jié)構(gòu)則不易遭受嚴(yán)重的破壞。而在底框結(jié)構(gòu)中，由于底層的剛度較低，在地震的影響才會遭受嚴(yán)重的破壞，并且使用的若是框架填充墻結(jié)構(gòu)，底層的框架為敞開式的，在沒砌墻時剛度也較低，也易遭受嚴(yán)重的破壞[2]。

2.3 剛度破壞特點

高層混凝土建筑的主體結(jié)構(gòu)一般使用的是矩形平面結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生地震，建筑內(nèi)的電梯井會產(chǎn)生偏心作用，因此在強(qiáng)扭轉(zhuǎn)振動下會加重地震的作用力，加重破壞程度。而對于一些不對稱的平面結(jié)構(gòu)中，地震產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成建筑的損毀。

2.4 構(gòu)件破壞特點

不同的構(gòu)件有不同的抗震性能。在高層混凝土建筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，板與梁更容易遭受破壞，而剪力墻的窗臺下部位置也容易產(chǎn)生交叉裂縫；但框架柱由于設(shè)置了螺旋箍筋，加大了層間的位移角，因此，在地震作用下不易遭受破壞。

3 加強(qiáng)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法

3.1 做好建筑主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計

建筑主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提高的最基本問題，因此應(yīng)重視建筑基礎(chǔ)的設(shè)計。在設(shè)計過程中應(yīng)注意將結(jié)構(gòu)相同的單元設(shè)置在地基性一致的地面上，并保持結(jié)構(gòu)一致，對于地基位置上較軟弱的土層應(yīng)進(jìn)行處理，以免承載力的不同引發(fā)地基沉降，并運(yùn)用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄔ黾拥鼗A(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度，加強(qiáng)基礎(chǔ)承載力的同時，使承載力保持在一致的水平上。并且應(yīng)注重底框的運(yùn)用，因為底框雖然經(jīng)濟(jì)實用，運(yùn)用用途廣，但結(jié)構(gòu)體系分布不均勻，易引發(fā)結(jié)構(gòu)的不均勻變形，甚至在嚴(yán)重的地震作用下，造成建筑部分開裂。因此，在使用底框時應(yīng)在設(shè)計時增加一些措施以使底框能保持較均勻的剛度，避免不均勻造成變形的出現(xiàn)。

3.2 增加抗震防線的設(shè)計

高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)并不是由某一部分構(gòu)成的而是由不同的延性分體組成的，并且不同的延性分體并不是單獨的工作，例如框剪結(jié)構(gòu)是由剪力墻和框架分體組合而成的多肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在通力合作下能在余震過程中發(fā)生作用，增加建筑的抗震性能。而增加抗震防線的重要性在于即使一道防線破壞，另一道防線也會繼續(xù)發(fā)生作用，減輕地震對建筑的破壞。因此，設(shè)計人員應(yīng)建立一個由多構(gòu)件組合而成的抗震防線體系，保證同一平面內(nèi)的主要構(gòu)件屈服，其他的抗側(cè)力部件能在發(fā)生彈性時，延長主體結(jié)構(gòu)屈服的力度與時間，保證主體結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的延性以及抗側(cè)移性。此外，在設(shè)計過程中，若有的構(gòu)件出現(xiàn)抗側(cè)移值過大的狀況，減弱了其他構(gòu)件的強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)構(gòu)件的抗側(cè)移能力，在設(shè)計中注意多重抗震防線的設(shè)計[3]。

3.3 綜合多種抗震計算方法

在對高層混凝土建筑抗震計算中，位移計算的正確性不容忽視，并且應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行定量分析，控制主體結(jié)構(gòu)的變形量，保證在中、低地震等級中，建筑的主體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變形。在計算主體結(jié)構(gòu)的承載力過程中，應(yīng)對高烈度地震中結(jié)構(gòu)的層間位移以及延性位移進(jìn)行實時性的計算，具體算出建筑構(gòu)件位移與結(jié)構(gòu)變形間的關(guān)系，得出建筑主要構(gòu)建的變形值，并對建筑截面的應(yīng)變情況予以分析，計算得出構(gòu)建的合理構(gòu)造值，最大限度的降低主體構(gòu)件在地震發(fā)生中的破壞程度。

3.4 抗震的加固設(shè)計

在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因主要構(gòu)件應(yīng)滿足一定的延性要求，在樓層較高時，通過調(diào)節(jié)軸壓比以增強(qiáng)構(gòu)件的延性，但軸壓比又不應(yīng)過小，否則會造成結(jié)構(gòu)短柱，延性也會受到影響，在高強(qiáng)度的地震作用下，造成建筑的坍塌，因而應(yīng)進(jìn)行加固設(shè)計。首先，在地震的加固設(shè)計中應(yīng)選擇螺旋復(fù)合箍筋，因為螺旋復(fù)合箍筋能有效地提高建筑中柱子的抗沖擊力，從而提高短柱的抗震能力。其次，框架柱的抗剪能力應(yīng)與強(qiáng)剪弱彎以及剪壓比相對應(yīng)，并且柱子頂端的抗彎能力應(yīng)在強(qiáng)柱弱梁值的范圍內(nèi)，使短柱在強(qiáng)柱弱梁或強(qiáng)剪弱彎時也不會破壞剪切性，增加建筑的抗震力度。最后，因為短柱的抗剪性較弱，在地震中常出現(xiàn)在抗彎能力還沒起作用時已發(fā)生了剪性破壞，所以在設(shè)計過程中應(yīng)減少短柱的抗彎能力，使其與抗剪力保持平衡，在地震發(fā)生時滿足短柱的抗彎屈服。但為了減弱短柱的抗彎強(qiáng)度，將柱子沿豎向設(shè)縫的情況，將其劃分成多個分體柱，并利用通縫或分隔板等連接鍵，增加建筑構(gòu)件的抗震性能，促進(jìn)建筑的抗震加固設(shè)計。幾種結(jié)構(gòu)的加固方案見圖1。

4 結(jié)語

高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性是不言而喻的，只有明確抗震設(shè)計的要求并根據(jù)具體建筑結(jié)構(gòu)的抗震特點，才能在設(shè)計的過程中結(jié)合建筑各體系的破壞特點，有針對性地提高高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕地震對高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的破壞，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全。

[1] 黃熾良.談高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計.青年與社會,2013(18):232.

[2] 辛斯喬.高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計分析.新材料新裝飾,2014(3):471-473.

[3] 黃俊凱.高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析.建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2014(34):214-216.

Talk about high-rise concrete buildings aseismic structure design

Li Lu

(TaiyuanUniversityofTechnologyInstituteofArchitecturalDesign,Taiyuan030024，China)

Combined with the request in high-rise concrete buildings aseismic structure design, to the destruction characteristics of the earthquake disasters in high-level architectural are analyzed, and puts forward the method to improve the seismic structure design of high-rise concrete buildings, designed to improve the seismic performance of high-rise concrete architecture.

concrete building， the seismic structure, reinforcing design, damage characteristics

2015-09-15

李 璐(1981- )，女，碩士，工程師

1009-6825(2015)33-0050-03

TU352

A