高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探微

劉 軍 華 彥

（1.大連天工建筑設(shè)計(jì)有限公司 2.大連潤天房屋開發(fā)有限公司）

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探微

劉 軍1華 彥2

（1.大連天工建筑設(shè)計(jì)有限公司 2.大連潤天房屋開發(fā)有限公司）

近年來高層建筑越來越流行，但地震等自然災(zāi)害的多發(fā)影響了人們的基本生活和生命財(cái)產(chǎn)安全，所以，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是業(yè)內(nèi)人士極為關(guān)注的問題之一。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

高層建筑 抗震設(shè)計(jì) 地震 破壞特點(diǎn)

由于地震作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的循環(huán)、往復(fù)荷載，建筑物的地震破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，存在著許多模糊和不確定因素，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，計(jì)算方法還很不完善，單靠微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算還很難使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)真正確保具有良好的抗震能力。所以，抗震設(shè)防是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切任務(wù)。首先就應(yīng)該從高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞特點(diǎn)入手。

1.破壞特點(diǎn)

（1）房屋體形方面。①L形、T形、Y形等不規(guī)則平面房屋建筑破壞率顯著增高；②有大底盤的高層建筑，裙房頂面與主樓相接處面積突然減小的樓層，即相鄰樓層質(zhì)量突變較大時(shí)，破壞程度加重；③防震縫設(shè)置寬度太小導(dǎo)致建筑物間發(fā)生碰撞破壞；④樓層平面形心與重心偏移越大，震害越嚴(yán)重。

（2）剛度分布方面。①矩形平面布置的建筑結(jié)構(gòu)，電梯井等抗側(cè)力構(gòu)件的布置當(dāng)存在偏心時(shí)，因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而使震害加重；②采用三角形、L形等不對(duì)稱平面的建筑結(jié)構(gòu)，同樣在地震作用因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而使震害加重。

（3）地基方面。①在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高；②地基土液化導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而引起上部結(jié)構(gòu)損壞或整體傾斜；③建造在不利或危險(xiǎn)地段的房屋建筑，因地基破壞導(dǎo)致房屋損壞。④當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場地自振周期相近時(shí)，因共振效應(yīng)破壞程度將加重。

（4）結(jié)構(gòu)體系方面。①采用“填墻框架”的房屋結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切型破壞；②采用框架一抗震墻體系的房屋結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕；③采用“底框結(jié)構(gòu)”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用“填墻框架”體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；④采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑，因樓板沖切或因樓層側(cè)移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面。

（5）構(gòu)件形式方面。①在框架結(jié)構(gòu)中，通常柱的破壞程度重于梁、板；②鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會(huì)出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；③配置螺旋箍筋的混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到較大數(shù)值時(shí)，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；④鋼筋混凝土框架如在同一樓層出現(xiàn)長、短柱并用的情況，短柱破壞較為嚴(yán)重。

2.抗震設(shè)計(jì)的方法

2.1 重視結(jié)構(gòu)的均勻性設(shè)計(jì)

在高層建筑中，結(jié)構(gòu)的均勻性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度要盡可能的接近、變形特性要比較相似。主要原因是因?yàn)閷?shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)都是三維的，實(shí)際的地震作用、風(fēng)荷載都具有任意的方向性，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度比較均勻，這就就能具有比較良好的抗震和抗風(fēng)性。

（2）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面、構(gòu)成變化比較均勻，不能發(fā)生突變。這里主要是指主體結(jié)構(gòu)的層剪切剛度不要突變，這種均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)可以避免因薄弱層的破壞而引起的結(jié)構(gòu)整體破壞，尤以強(qiáng)震區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)需特別注意。

（3）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置，應(yīng)注意同一主軸方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度盡可能均勻，還應(yīng)避免在主體結(jié)構(gòu)的布置中設(shè)置一、二片剛度特別大而延性較差的結(jié)構(gòu)，如長窄的實(shí)體剪力墻。此時(shí)，即使結(jié)構(gòu)仍滿足對(duì)稱性和剛度的要求，但由于這個(gè)別結(jié)構(gòu)剛度巨大，地震發(fā)生時(shí)，將首先吸收極大的能量，應(yīng)力特別集中，容易首先招致破壞，從而引起整體結(jié)構(gòu)的破壞。同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻，水平荷載作用下應(yīng)力分布將比較均勻，有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實(shí)現(xiàn)。

（4）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置還應(yīng)注意中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)均勻，保證主體結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)均勻，保證主體結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度，以避免高層建筑在地震或風(fēng)的扭矩作用下產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，從而引起結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

2.2 合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)體系選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題，結(jié)構(gòu)方案的選取是否合理，對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性起決定的作用。

結(jié)構(gòu)體系宜有多道抗震防線。框架一剪力墻結(jié)構(gòu)是具有良好性能的多道防線的抗震結(jié)構(gòu)，其中剪力墻既是主要抗側(cè)力構(gòu)件又是第一道抗震防線。因此，剪力墻應(yīng)有相當(dāng)數(shù)量，其承受的結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩不應(yīng)小于底部總地震傾覆力矩的 50%。同時(shí)，為承受剪力墻開裂后重分配的地震作用，任一層框架部分按框架和墻協(xié)同工作分配的地震剪力，不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的 20%和框架各層地震剪力最大值的1.5倍兩者的較小值。剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻可以通過合理設(shè)置連梁(包括非建筑功能需要的開洞)組成多肢聯(lián)肢墻，使其具有優(yōu)良的多道抗震防線性能。再就是連梁的剛度、承載力和變形能力應(yīng)與墻肢相匹配，避免連梁過強(qiáng)而使墻肢產(chǎn)生較大拉力而過早出現(xiàn)剛度和承載力退化。一般情況下，聯(lián)肢墻宜采用弱連梁。

合理的高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度以滿足和略大于規(guī)范限值即可，結(jié)構(gòu)的延性和安全儲(chǔ)備主要依靠合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和精心的設(shè)計(jì)。單純靠加大結(jié)構(gòu)截面尺寸來加大剛度，有時(shí)會(huì)適得其反，如果配筋構(gòu)造等措施沒有相應(yīng)跟上，反而會(huì)造成結(jié)構(gòu)的隱患，多花了材料、成本，反而損壞了結(jié)構(gòu)的延性和安全度。

總之，框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力。框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的各墻段的高寬比不宜小于2，使其呈彎剪破壞，且塑性屈服也宜產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效。

3．結(jié)束語

現(xiàn)代城市的發(fā)展促使高層建筑的不斷增多，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也顯得越來越重要。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法和技術(shù)是不斷變化和進(jìn)步的，我們需要在具體的實(shí)踐中對(duì)高層建筑所處的地質(zhì)和環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，選用適合的抗震結(jié)構(gòu)，注重建筑結(jié)構(gòu)材料的選擇，減小地震的作用力，增強(qiáng)地震的抵抗力，從而達(dá)到高層建筑抗震的目的。

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1007–6344（2015）01–0175–01