高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

劉利達(dá)

廣東遠(yuǎn)順建筑設(shè)計(jì)有限公司

摘要：自然災(zāi)害給我國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是汶川地震給我國經(jīng)濟(jì)帶來的經(jīng)濟(jì)損失更是巨大。因此，對高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行探討具有重大意義。本文主要對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中所遇到的問題進(jìn)行分析，并提出對策。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；問題；對策

前言

我國不同城市地區(qū)對高層的層數(shù)限定不盡相同，由該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度決定。高層一般設(shè)為10層或以上，28m的住宅建筑均為高層建筑（ 引自JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程）。我國也是人員大國，對土地的需求量非常大，高層有效緩解土地緊張的窘迫狀況，促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展。由于我國地震災(zāi)害頻發(fā)，高層的抗震設(shè)計(jì)受到建筑業(yè)界的關(guān)注。

一、高層建筑抗震相關(guān)設(shè)計(jì)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)的原則是小震不壞，中震可修，大震不倒。高層抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)科學(xué)地根據(jù)建筑的高度、高寬比、抗震設(shè)防的類別和烈度，結(jié)構(gòu)材料，場地類別以及施工技術(shù)條件等等來綜合考慮其結(jié)構(gòu)體系。高層抗震設(shè)計(jì)具體涉及到以下幾方面：

（1）抗震措施：以概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造、驗(yàn)算三個(gè)方面進(jìn)行，抗震與消震相互結(jié)合探討結(jié)構(gòu)延性與設(shè)計(jì)地震力相互制約，通過采取有效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行消震，讓高層建筑抗震性能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)良的目的。

（2）確定抗震等級(jí)： 建筑設(shè)計(jì)部門應(yīng)根據(jù)國家有關(guān)方面的規(guī)定，按照GB50233-2008 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，以房屋高度、結(jié)構(gòu)類型、烈度為依據(jù)，采用不同的抗震等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)。一般情況下會(huì)將抗震等級(jí)劃分為一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí)這四個(gè)級(jí)別。

（3）確定抗震設(shè)防烈度： 所謂地震烈度是指國家主管部門依據(jù)地質(zhì) 地理及史料等，經(jīng)過科學(xué)地勘察以及驗(yàn)證，對我國的主要城市和地區(qū)進(jìn)行抗震設(shè)防（ 其類別分為甲、乙、丙、丁四類建筑） 和地震分組經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。它是一個(gè)地域概念，一般情況下我國的大部分地區(qū)房屋的抗震設(shè)防烈度為8度。更具體的劃分情況如下： 甲、乙類建筑的抗震設(shè)防烈度一般要比當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度高出一度，但是當(dāng)建筑場地為I類時(shí)，則與當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度持平即可； 丙類建筑的抗震設(shè)防烈度一般與當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度要求一致，但是當(dāng)建筑場地為I 類時(shí)，則按當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度要求低一度采取抗震構(gòu)造的措施（ 抗震設(shè)防烈度為6度的情況除外）。

總的來說，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)其抗震設(shè)防烈度、房屋高度、結(jié)構(gòu)類型采用相應(yīng)的抗震等級(jí)，并符合相應(yīng)的抗震等級(jí)的構(gòu)造措施的要求。

二、高層建筑抗震中常見的問題

（1）建筑物的高度問題

根據(jù)我國有關(guān)高層建筑技術(shù)的規(guī)定，高層建筑在一定的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)防烈度的基礎(chǔ)上必須要有一個(gè)適宜的高度，而且該高度還必須與我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、建筑的施工技術(shù)水平以及土建規(guī)范體系相適應(yīng)。但是從當(dāng)前的實(shí)際情況來看，還是有很多高層建筑超過了限定的高度。對于這些超出限定高度的建筑物，我們應(yīng)采取專家論證以及振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)等科學(xué)方法，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度相對待影響高層建筑的諸多因素在隨著高層建筑高度的增加在不斷發(fā)生著質(zhì)變，超限建筑的安全指標(biāo)、延性要求材料性能等參數(shù)會(huì)超出規(guī)范的使用范圍。

（2）選用的材料和結(jié)構(gòu)體系不合理

建筑材料和結(jié)構(gòu)體系的選取是否合理在地震高發(fā)地區(qū)是一件備受重視的事情。然而，在我國的地震常發(fā)地區(qū)，選取的建筑材料及結(jié)構(gòu)體系大多是不合理的。在國內(nèi)，150m以下的建筑采用的結(jié)構(gòu)體系與國外一樣，主要是筒中筒，框架-支撐，框-筒這三種體系，但是外國的建筑大多是鋼結(jié)構(gòu)，而我國則大部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)，而對于這么高的鋼筋混凝土建筑的抗震設(shè)計(jì)國內(nèi)外都沒有較好的經(jīng)驗(yàn)，混合結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土的內(nèi)筒常常要承受七至八成的震層剪力，有時(shí)甚至高達(dá)九成，由于鋼筋混凝土的核心筒結(jié)構(gòu)是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移值為基準(zhǔn)進(jìn)行變形控制，如果該結(jié)構(gòu)彎曲變形的側(cè)移較大，則需采用剛度很小的鋼框架來協(xié)助減小側(cè)移，但這種方法效果不明顯，還會(huì)加大鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，因而有時(shí)候還須設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，或者是加大混凝土筒的剛度，以形成加強(qiáng)層，幫助達(dá)到規(guī)范側(cè)移限值； 另一方面，如果結(jié)構(gòu)體系或者柱距發(fā)生變化了，就必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的較大的剛度會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度的變化，從而突然加大柱構(gòu)件的剪力，造成轉(zhuǎn)換層構(gòu)件之間 外框架柱連接處、加強(qiáng)層伸臂之間的強(qiáng)柱弱梁難以保證，所以，對于加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)模式的選擇必須慎重，并盡可能地降低其剛度，防止造成不利影響。

（3）地基的選擇不合理

對于建筑物而言，地基的選擇尤為重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系著建筑物的抗震能力。高層建筑因?yàn)槠涮匦裕牡鼗鶓?yīng)選擇在較為寬闊的土地上，并且保證土地質(zhì)地堅(jiān)硬，盡量避開滑坡、斷層等異形地形，但是開發(fā)商和建筑商們只追求經(jīng)濟(jì)利益的最大化，往往選取那些利潤空間大的土地來進(jìn)行施工，而不會(huì)考慮這些土地是否適合建設(shè)高層建筑，對地基的選擇不甚合理。

三、高層抗震設(shè)計(jì)的對策

（1）分析抗震可靠度

以前，設(shè)計(jì)人員只是單純從建筑負(fù)荷問題出發(fā)來分析和研究其抗震可靠性，而并沒有從整體上分析材料的參數(shù)變化，地震烈度的隨機(jī)性及模糊性對建筑物抗震可靠度的影響來進(jìn)行綜合考慮 因此，我們應(yīng)當(dāng)將材料的參數(shù)變化，地震烈度的隨機(jī)性 地震烈度的模糊性作為進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

（2）以位移結(jié)構(gòu)為依據(jù)進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)

我國建筑物的抗震結(jié)構(gòu)一般情況下是以承載力作為基礎(chǔ)的，因此，我們應(yīng)該對結(jié)構(gòu)的配筋與變形的關(guān)系有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)變形的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行基礎(chǔ)的位移設(shè)計(jì)。此外，除了小震階段的計(jì)算之外，還應(yīng)進(jìn)行第二階段的抗震設(shè)計(jì)，即根據(jù)大震進(jìn)行整體的統(tǒng)計(jì)和分析，這是我國抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的未來發(fā)展趨勢。

（3）選擇新型的高性能材料及合理的結(jié)構(gòu)體系

為提高高層建筑的抗震性能，降低其柱截面的尺寸，在有條件的地方應(yīng)盡量使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及材料。而且在不同情況下對這些結(jié)構(gòu)的選擇也不同，比如，超過一定高度的建筑物，應(yīng)選擇鋼管或鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及材料以便減小風(fēng)振，而不應(yīng)選用質(zhì)量小并且較為柔軟的鋼結(jié)構(gòu)。而且不同結(jié)構(gòu)的建筑為了提高抗震性能選用的材料也不盡相同，比如，鋼骨混凝土構(gòu)件的高層建筑，其選用的材料應(yīng)為實(shí)腹式焊接工字鋼或大型型鋼，這樣在地震中受到的震害會(huì)比較輕微。

（4）改善短柱抗震性能

高層建筑整體框架的抗震能力必須滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求，其柱體也須滿足強(qiáng)柱弱梁的要求，這樣才能保證柱子不先于梁破壞、不發(fā)生剪切破壞。我們可以通過采取措施減少短柱的截面尺寸，以提高其延性和承載力，從而改善其抗震性能，具體的措施有： ①盡量使用復(fù)合螺旋箍筋，以提高短柱的抗剪承載力以及對混凝土的約束作用，從而提供短柱的抗震性能； ②采用分體柱，一般情況下短柱的抗剪承載力要小于抗彎承載力，因此我們可以通過削減短柱的抗彎承載力，使其與短柱的抗剪強(qiáng)度持平或略低，從而使短柱在地震作用下能先達(dá)到抗彎強(qiáng)度后再出現(xiàn)其延性的破壞； ③使用鋼管混凝土柱，鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式，其內(nèi)部的混凝土在受到鋼管的側(cè)向約束之后會(huì)呈現(xiàn)三向受壓的狀態(tài)，從而大幅度提高混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，使混凝土的延性得到極大地改善。

四、結(jié)束語

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)長期且復(fù)雜的過程，在這個(gè)過程中任何的疏漏都有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程更加復(fù)雜甚至出現(xiàn)安全隱患，因此，我們應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范及要求，總結(jié)國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)更加合理 可行的抗震設(shè)計(jì)方案，使我國的抗震設(shè)計(jì)更加完善和完美。

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