高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施解析

韓炯

（九源（北京）國(guó)際建筑顧問(wèn)有限公司寧夏銀川　750001）

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施解析

韓炯

（九源（北京）國(guó)際建筑顧問(wèn)有限公司寧夏銀川750001）

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)高層抗震的需求日益增高，下面由高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則開(kāi)始，對(duì)于高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題展開(kāi)相關(guān)探究，并對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施展開(kāi)一系列的闡述。

高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；優(yōu)化；措施

這幾年，國(guó)內(nèi)地震災(zāi)害出現(xiàn)的次數(shù)比較多，在地震出現(xiàn)時(shí)，建筑受到很大的破壞，而且一些建筑還會(huì)出現(xiàn)倒塌的狀況，因此而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡特別大。因?yàn)楦邔咏ㄖ訑?shù)特別多，容積率特別大，若在地震中出現(xiàn)坍塌將帶來(lái)很大的損害。所以做好建筑抗震設(shè)計(jì)具有特別關(guān)鍵的意義，因此需在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其抗震特性進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注與優(yōu)化，在一定程度上的提升高層建筑的抗震特性。

1　建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1關(guān)于結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

對(duì)于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需先弄清楚建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，在此基礎(chǔ)之上，優(yōu)化建筑平面和建筑物的應(yīng)用性能，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季郑瑢?duì)于高層建筑而言，務(wù)必要保證其具有足夠的剛度，從而減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的影響，對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)需確保其平面均勻?qū)ΨQ(chēng)，建筑物的柱網(wǎng)剪力墻務(wù)必要科學(xué)布置。因?yàn)榇祟?lèi)建筑結(jié)構(gòu)可以很容易出現(xiàn)建筑物多地震的反應(yīng)，對(duì)于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需對(duì)建筑進(jìn)行適當(dāng)布置，如此一來(lái)對(duì)于減小豎向構(gòu)件間的差異形變和結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不利影響具有非常大的作用。

1.2關(guān)于層間的位移限制

在建筑結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間需參考下建筑結(jié)構(gòu)材料、位移的約束、結(jié)構(gòu)體系、側(cè)向荷載和高比寬等問(wèn)題。對(duì)于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在一定程度上要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值，還要對(duì)建筑的所處位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其穩(wěn)定性及功能的穩(wěn)定使用等。建筑在地震或者是風(fēng)力之層間常常會(huì)產(chǎn)生很大位移，對(duì)于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要滿(mǎn)足其剛度，還要防止超過(guò)其承載力。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

抗震設(shè)計(jì)的基本原則為需符合大震不倒、中震可修、小震不壞的要求，針對(duì)于這一原則，需依抗震設(shè)計(jì)的兩階段來(lái)設(shè)計(jì)，依次為多遇地震下的狀況與罕遇地震的狀況，前者使用彈性反應(yīng)譜法，后者使用抗倒塌彈塑性變形驗(yàn)算。對(duì)部分超越規(guī)范的高層建筑，能夠使用基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論來(lái)設(shè)計(jì)。

3　高層建筑抗震設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1建筑平面和豎向不規(guī)則

由于經(jīng)濟(jì)水平的提升和大家對(duì)流動(dòng)的藝術(shù)的追求，建筑師創(chuàng)作的平面與立面日益復(fù)雜。進(jìn)而平面與立面規(guī)則性超限的狀況越日益普遍。這就促使建筑的抗震性能有很大的削弱。

3.2地基的選取不科學(xué)

不同的地基類(lèi)型對(duì)地震力的傳遞有不一樣的特點(diǎn)，高層建筑因?yàn)榇怪备叨容^高，自身重量較大，因此在選址時(shí)，對(duì)于土質(zhì)的硬度、密實(shí)度與對(duì)地形的開(kāi)闊和平坦性具有很高的要求，而且需遠(yuǎn)離河岸，防止抗震危險(xiǎn)性路段，如此一來(lái)才可以保證高層建筑的基礎(chǔ)具有較好的抗震性能，可以在地震力作用下具有非常好的承受能力。然而目前因?yàn)閲?guó)內(nèi)城市發(fā)展速度的加快，城市人口日益增加，很大一部分房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商在進(jìn)行高層建筑選址時(shí)均會(huì)更多的對(duì)其商業(yè)利益與商業(yè)開(kāi)發(fā)空間進(jìn)行考慮，這就造成高層建筑地基在選取上具有特別多的適宜性與不科學(xué)性，進(jìn)而使其抗震性能降低，在地震發(fā)生時(shí)高層建筑的基礎(chǔ)破壞更加嚴(yán)重。

3.3材料的選取不科學(xué)

這幾年，國(guó)內(nèi)地震出現(xiàn)的次數(shù)特別多，因此在對(duì)地震頻發(fā)區(qū)域進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必保證其結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)性性，另外還需適當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)材料。然而由于施工、經(jīng)濟(jì)等因素，輕質(zhì)高強(qiáng)材料并未適當(dāng)?shù)牟捎谩?/p>

3.4抗震設(shè)防烈度較低

由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度還不夠高，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的建筑的抗震設(shè)防烈度不高，中震和規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率大約為10豫的地震烈度相似，較低的抗震設(shè)防烈度減小了高層建筑的抗震需求。

4　高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

若想設(shè)計(jì)出具有特別好的抗震性能的建筑需要從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與構(gòu)件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度著手?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震功能具有很大的作用，所以新規(guī)范都在有關(guān)條文中提出了建筑和結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性，還要求建筑師與結(jié)構(gòu)工程師在高層建筑設(shè)計(jì)中需特別關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的優(yōu)化原則，就是“四強(qiáng)四弱”“強(qiáng)柱弱梁”，指節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力超過(guò)梁端實(shí)際受彎承載力；“強(qiáng)剪弱彎”為避免構(gòu)件剪切的破壞，對(duì)于桿件的受剪承載力最好大于受彎承載力；“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”為避免節(jié)點(diǎn)比構(gòu)件破壞的早；對(duì)桿件截面來(lái)說(shuō)，“強(qiáng)壓弱拉”為防止桿件由于彎曲而出現(xiàn)受壓混凝土破裂的脆性破壞，讓受拉區(qū)鋼筋的承載力小于受壓區(qū)混凝土受壓承載力，具體的能夠從以下幾點(diǎn)來(lái)考慮：

4.1選擇有利的抗震場(chǎng)地

由于地質(zhì)條件的不同地震對(duì)建筑設(shè)施的破壞具有很大的差異。在施工前要勘察好地基狀況，保證建筑場(chǎng)地有助于建筑設(shè)施的抗震，應(yīng)盡量不在抗震不利地段建設(shè)建筑構(gòu)，在不能避開(kāi)時(shí)，需采用恰當(dāng)?shù)拇胧┨嵘拐鹦阅?。根?jù)建筑場(chǎng)地地基地質(zhì)特征與受地震破壞作用的強(qiáng)弱來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，依據(jù)建筑場(chǎng)地的實(shí)際狀況適當(dāng)采取抗震措施，比方說(shuō)依據(jù)地基地質(zhì)抗震設(shè)防種類(lèi)、地基液化等級(jí)等實(shí)際狀況科學(xué)采用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)形式。

4.2選用合理的結(jié)構(gòu)體系

體系問(wèn)題為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要把握的關(guān)鍵問(wèn)題。需注意體系的科學(xué)性問(wèn)題，優(yōu)先使用抗震性能高、延性?xún)?yōu)、耗能性能強(qiáng)、有利于施工的具有多道防線的體系。防止選用抗震性能特別低的板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、特別是單跨框架結(jié)構(gòu)等。

4.2.1優(yōu)化平面和立面設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，就是盡可能地均勻、對(duì)稱(chēng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單為結(jié)構(gòu)在地震之力下具有直接與清晰的傳力方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單地把握建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、內(nèi)力位移分析以及結(jié)構(gòu)薄弱部位，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震功能也具有良好的估計(jì)。對(duì)于為了符合建筑性能要求的平面與立面的不規(guī)則，能夠采取以下幾點(diǎn)進(jìn)行改善。

4.2.2提高結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力

水平地震是雙向的，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需讓高層建筑可以抵抗任意方向的地震破壞。一般設(shè)計(jì)能夠讓結(jié)構(gòu)沿平面上兩個(gè)主軸方向具有充足的剛度與抗震性能，結(jié)構(gòu)的抗震性能就是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延伸的反映。結(jié)構(gòu)剛度的選擇不但可以減輕地震破壞作用，還需注意控制結(jié)構(gòu)形變的增幅，太大的形變將出現(xiàn)重力二階效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)破壞、失穩(wěn)。

4.2.3結(jié)構(gòu)的整體性

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，樓蓋的設(shè)計(jì)對(duì)高層建筑整體性來(lái)說(shuō)具有非常重要的作用，樓蓋和水平隔板類(lèi)似，其不但聚集與傳遞慣性力到任意一豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，而且還需要這些結(jié)構(gòu)可以協(xié)同承受地震作用。尤其是抗側(cè)力構(gòu)件水平形變特征不同步的結(jié)構(gòu)，就需要樓蓋讓抗側(cè)力和結(jié)構(gòu)可以協(xié)同工作。

4.2.4設(shè)置完善的抗震措施

抗震建筑結(jié)構(gòu)體系需全方位考慮到建筑物的設(shè)防烈度、場(chǎng)地、地基、材料以及施工等因素，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件綜合考慮進(jìn)行確定。首先需多設(shè)幾道抗震防線，進(jìn)而防止由于部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而造成一個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)體系不具備抗震性能。適當(dāng)?shù)膭偠扰c強(qiáng)度分布，將防止由于局部消弱、突變性、太大的應(yīng)力集中可能出現(xiàn)的薄弱部位。

4.3選用合適的建筑材料

科學(xué)選用高層建結(jié)構(gòu)材料對(duì)提升建筑設(shè)施的抗震性能是非常有利的。就抗震設(shè)計(jì)方面來(lái)講對(duì)建筑工程用到材料參數(shù)展開(kāi)合理分析，選擇適合高層建筑抗震條件的工程材料。盡可能使用高性能混凝土和高強(qiáng)鋼筋及別的高強(qiáng)輕質(zhì)的材料，用來(lái)提升構(gòu)件內(nèi)力及抗震能力，同時(shí)需要積極使用新型減震及隔震材料。

5　結(jié)語(yǔ)

隨著高層建筑技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，它的抗震設(shè)計(jì)水平也在提高，高層建筑抗震設(shè)計(jì)的措施也是變得越來(lái)越科學(xué)及合理，外加上多種多樣的新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)，高層建筑抗震能力一直在提高，很好的提升了地震出現(xiàn)時(shí)建筑的安全性能。

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2015-11-1