高層建筑抗震設計中的問題及對策

【摘 要】近年來，我國地震災害頻繁發(fā)生，強烈的地震災害導致了建筑物的損壞和倒塌，造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。1976年唐山大地震、2008年的汶川地震和2010年的玉樹地震對我國來說無不是沉重的打擊，造成大量的生命財產(chǎn)損失，這不得不讓人們反思我國建筑的抗震設防能力。本文將就高層建筑設計在地震中的常見問題進行分析，從而得出抗震設計的注意事項和解決對策。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；抗震設計；抗震設防

引言：

地震專家通過歷次地震統(tǒng)計分析得出：地震中95%的人員傷亡是由房屋倒塌造成的，僅有不到5%的傷亡是直接由地震導致的泥石流或山體滑坡等造成的。我國把地震烈度分為12度，高層建筑的防震措施主要針對的是6-10度的地震。1976年唐山大地震后我國對建筑防震標準做了嚴格規(guī)范，80年代后建成的房屋基本都有了一定的抗震能力。但是近年來頻發(fā)的地震災害中由建筑物倒塌造成的大量生命財產(chǎn)損失也讓我們清醒的認識到，我國的高層建筑物抗震設計中存在不少問題。

1地震導致建筑破壞的原因

根據(jù)地震災害經(jīng)驗，地震期間導致高層建筑破壞的直接原因可分為以下三種情況：

（1）地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂縫或錯位等地面變形，對其上部建筑的直接危害；

（2）地震引起的砂土液化、軟土震陷等地基失效，對上面建筑物所造成的破壞；

（3）建筑物在地面運動激發(fā)下產(chǎn)生劇烈震動過程中，因結(jié)構(gòu)強度不足、過大變形、連接破壞、構(gòu)件失穩(wěn)或整體傾覆而產(chǎn)生的破壞。

2高層建筑抗震設計存在的問題

2.1工程地質(zhì)勘查資料不全

在設計初期，設計人員應該及時掌握施工場地的地質(zhì)情況，但是往往在設計過程中，卻沒有建筑場地巖土工程的勘察資料，因此就不能準確的進行地基設計，給建筑物的結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。

2.2建筑材料不滿足要求

對于材料而言，我們要明確這樣一個道理：地震對結(jié)構(gòu)作用的大小幾乎與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量成正比。一般說在相同條件下，質(zhì)量大地震作用就大，震害程度就大，質(zhì)量小地震作用就小，震害就小。所以，在建筑物的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻以及屋面構(gòu)件中，廣泛采用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶?；炷?、加氣混凝土板、空心塑料板材等輕質(zhì)材料，能顯著改善建筑物的抗震性能。

2.3建筑物本身的建筑結(jié)構(gòu)設計

建筑物如果平面布置復雜，外形不規(guī)則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質(zhì)心偏心大，同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等，在地震作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應，加劇了地震的破壞作用，海城地震和唐山地震中有不少類似震害實例。

2.4平面布局的剛度不均

抗震設計要求建筑的平、立面布置宜規(guī)正、對稱，建筑的質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻，否則應考慮其不利影響。但有的平面設計存在嚴重的不對稱：一邊進深大，一邊進深??；一邊設計大開間，一邊為小房間；一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。平面形狀采用L、π形不規(guī)則平面等，造成了縱向剛度不均；而底層作為汽車庫的住宅，一側(cè)為進出車需要，取消全部外縱墻，另一側(cè)不需進出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均，這些都對抗震極為不利。

2.5防震縫設置不規(guī)范

對于高層建筑存在下列三種情況時，宜設防震縫：平面各項尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》（JGJ3-91）中的限值而無加強措施；房屋有較大錯層；各部分結(jié)構(gòu)的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施。

2.6結(jié)構(gòu)抗震等級掌握不準

有的項目嚴格講應按七度采取抗震措施的，但設計中按六度設防，減低了抗震設防標準，不利抗震。主要是對場地土類型、結(jié)構(gòu)類型、建筑高度、設防烈度等因素綜合評定不準造成的。

上述這些問題的存在，倘若不能得到改正，勢必對建筑物的安全帶來隱患。上述這些問題的原因是多方面的，這就需要設計人員從設計的角度避免這些問題的出現(xiàn)，防止將這種問題帶入施工中，影響高層建筑的抗震性能。

3高層建筑抗震設計的解決對策

3.1結(jié)構(gòu)規(guī)則性

建筑物尤其是高層建筑物設計應符合抗震概念設計要求，對建筑進行合理的布置，大量地震災害表明，平立面簡單且對稱的結(jié)構(gòu)類型建筑物在地震時具有較好的抗震性能，因為該種結(jié)構(gòu)建筑容易估計出其地震反映，易于采取相應的抗震構(gòu)造措施并且進行細部處理。建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件布置、承載力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面對稱均勻，體型簡單，結(jié)構(gòu)剛度，質(zhì)量沿建筑物豎向變化均勻，同時應保證建筑物有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響，并應盡量滿足建筑物在豎向上重力荷載受力均勻，以盡量減小結(jié)構(gòu)內(nèi)應力和豎向構(gòu)件間差異變形對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

3.2限制層間位移

高層建筑都具有較大的高寬比，其在風力和地震作用下往往能夠產(chǎn)生較大的層間位移，甚至會超過結(jié)構(gòu)的位移限值。而國內(nèi)普遍認為該位移限值大小與結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系甚至裝修標準以及側(cè)向荷載等諸多因素有關(guān)，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值（一般在1/400-1/700范圍內(nèi)）則比鋼結(jié)構(gòu)（1/200-1/500范圍內(nèi)）要求嚴格，風荷載作用下的限值比地震作用下的要求嚴格。因此在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設計時應根據(jù)建筑物的實際情況以及所處的地理位置進行設計，既要滿足其具有足夠的剛度又要避免結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性以及正常使用功能等。

3.3控制地震扭轉(zhuǎn)效應

大量事實表明，當建筑結(jié)構(gòu)的平面布置等不規(guī)則、不對稱導致建筑層間水平荷載合力中心與建筑結(jié)構(gòu)剛度中心不重合，在地震發(fā)生時建筑結(jié)構(gòu)除發(fā)生水平位移外還易發(fā)生扭轉(zhuǎn)性破壞甚至會導致結(jié)構(gòu)整體倒塌，因此在結(jié)構(gòu)設計中應充分重視扭轉(zhuǎn)的影響。由于建筑物在扭轉(zhuǎn)作用下各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間變形不同，其中距剛心較遠的結(jié)構(gòu)邊緣的抗側(cè)力單元的層間側(cè)移最大；同時在上下剛度不均勻變化的結(jié)構(gòu)中，各層的剛度中心未能在同一軸線上，甚至會產(chǎn)生較大差距，以上情況都會使各層結(jié)構(gòu)的偏心距和扭矩發(fā)生改變，因此，在設計過程中應對各層的扭轉(zhuǎn)修正系數(shù)分別計算。計算時應主要控制周期比、位移比兩個重要指標，即當兩個控制參數(shù)的計算結(jié)果不能滿足要求時則必須對其進行調(diào)整。當周期比不滿足要求時可采用加大抗側(cè)力構(gòu)件截面或增加抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量的方法，并應將抗側(cè)力構(gòu)件盡可能的均勻布置在建筑四周，以減小剛度中心與質(zhì)量中心的相對偏心，若調(diào)整構(gòu)件剛度不能滿足效果時則應調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件布置，以增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度。

3.4減輕結(jié)構(gòu)自重

對于同樣的地基條件下進行建筑結(jié)構(gòu)設計若減輕結(jié)構(gòu)自重則可相應增加層數(shù)或減少地基處理造價，尤其是在軟土基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設計這一作用更為明顯，同時由于地震效應與建筑質(zhì)量成正比，而高層建筑由于其高度大重心高等特點，在地震作用時其傾覆力矩也隨之增加，因此為了盡量減小其傾覆力矩應對高層建筑物的填充墻及隔墻盡量采用輕質(zhì)材料以減輕結(jié)構(gòu)自重。

3.5選擇合理結(jié)構(gòu)體系

高層建筑的豎向荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力，水平荷載主要產(chǎn)生彎矩。其豎向荷載方向不變，但隨著建筑高度增加而增加，水平荷載則來自任何方向，因此豎向荷載引起建筑物的側(cè)移量非常小，而水平荷載產(chǎn)生的側(cè)移則與高度成四次方變化，即在高層結(jié)構(gòu)中水平荷載的影響遠遠大于豎向荷載的影響，因此水平荷載應為設計的主要控制因素，在設計過程中應需在滿足建筑功能及抗震性能的前提下選擇切實可行的結(jié)構(gòu)類型，使其具有良好的結(jié)構(gòu)性能。設計地震區(qū)的高層建筑，在確定結(jié)構(gòu)體系時，需考慮下列抗震設計準則：

（1）具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線；

（2）具備多道抗震防線，不會因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導致整個體系喪失抵抗側(cè)力或承受重力荷載的能力；

（3）具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結(jié)構(gòu)體系遭遇地震時有足夠的防倒塌潛力；

（4）沿水平和豎向，結(jié)構(gòu)的剛度和強度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現(xiàn)局部削弱或突變形成薄弱環(huán)節(jié)，從而防止地震時出現(xiàn)過大的應力集中或塑性變形集中。

3.6設置多道抗震防線

當發(fā)生強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應有較高的延性和適當剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時倒塌。

3.7采取基礎(chǔ)隔震措施

地震對建筑的破壞作用，是由于地面運動激發(fā)起建筑的強烈振動所造成的，也就是說，破壞能量來自地面，通過基礎(chǔ)向上部結(jié)構(gòu)傳遞。人們總結(jié)地震經(jīng)驗后發(fā)現(xiàn)，地震時結(jié)構(gòu)底部的有限滑動，能大幅度地減輕上部結(jié)構(gòu)的破壞程度?；诳蓜痈拍畹幕A(chǔ)隔震方案很多，主要有：

（1）軟墊式隔震，在房屋底部設置若干個帶鉛芯的鋼板橡膠隔振裝置，使整個房屋坐落在軟墊層上，遭遇地震時，樓房底面與地面之間產(chǎn)生相對水平位移，房屋自振周期加長，主要變形都發(fā)生在軟墊塊處，上部結(jié)構(gòu)層間側(cè)移變得很小，從而保護結(jié)構(gòu)免遭破壞。

（2）滑移式隔震，在房屋基礎(chǔ)底面處設置鋼珠、鋼球、石墨、砂粒等材料形成的滑移層或滾動層，使建筑物遇地震時在該處發(fā)生較大位移的滑動，達到隔震目的。

（3）擺動式隔震，該隔震方式實質(zhì)上是柔性底層概念的改進和引伸。

（4）懸吊式隔震，這一隔震方式的構(gòu)思是，將整個建筑懸吊在支架下面，避免地震的直接沖擊，從而大幅度減小建筑物所受到的地震慣性力。

結(jié)束語

當前的市場形式下，建筑行業(yè)競爭日趨激烈，只有高質(zhì)量的工程才能吸引社會的目光，才能獲得預期的收益，而這一切的前提就是建立在良好的工程設計上，只有良好的抗震設計才能促進高層建筑物朝著高質(zhì)量的方向發(fā)展，才能保障人民的生命財產(chǎn)安全。

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