淺談高層建筑的抗震防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

李鵬超

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，城市化和工業(yè)化在逐步覆蓋全國，因地震造成的災(zāi)害由于各種防護(hù)措施的保護(hù)，人員傷亡不高，但是經(jīng)濟(jì)損失是巨大的?？拐鹪O(shè)計是衡量建筑是否過關(guān)的重要依據(jù)。但是抗震設(shè)計要針對不同的地點、地形及建筑的需求，區(qū)分對待，不能一概而論。

關(guān)鍵詞：抗震；結(jié)構(gòu)；設(shè)計方法；探討

1 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

1.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

在我國目前高層建筑結(jié)構(gòu)的常見類型有框-筒式、框架-支撐式及筒中筒三類形式，其九成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混合型結(jié)構(gòu)，但是其地震承受能力在國外還沒有被完全承認(rèn)。目前在國際中，地震帶區(qū)域內(nèi)的建筑都是鋼結(jié)構(gòu)主體，這些區(qū)域內(nèi)的抗震建筑都可以作為經(jīng)驗供我們學(xué)習(xí)和借鑒，選用抗震及剛性材質(zhì)高的材料來建設(shè)，它們與混凝土材料相比，其韌性、延展性、質(zhì)密度等性能及性質(zhì)相當(dāng)優(yōu)良，其抗震能力尤為突出，混凝土結(jié)構(gòu)由于其自重較大，加大了建筑的負(fù)載，消弱了抗震能力。當(dāng)前，我國常見的高層建筑多數(shù)都是混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)，所以在調(diào)控建筑結(jié)構(gòu)的位移標(biāo)準(zhǔn)要以鋼筋混凝土的標(biāo)準(zhǔn)為界限。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的彎曲形變側(cè)移度超標(biāo)，即便有鋼筋混凝土所含的鋼框架結(jié)構(gòu)協(xié)助支撐，也不能很好地抑制側(cè)移的發(fā)生，致使鋼結(jié)構(gòu)的荷載增加，防御地震的能力也不是很好，所以如何限制側(cè)移界限就十分重要，因此對混凝土筒的剛度加強(qiáng)和伸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)置就非常必要。同時，還需要建設(shè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，用來應(yīng)對結(jié)構(gòu)或柱距的變化，但是加強(qiáng)層也處于這一層，二者共處就會使這層的剛度變大，會導(dǎo)致形成鋼結(jié)構(gòu)突變及轉(zhuǎn)換層何加強(qiáng)層各結(jié)構(gòu)間剪力變大，難以達(dá)到強(qiáng)柱弱梁的建筑目標(biāo)。所以，在進(jìn)行高層建筑的建設(shè)時，要仔細(xì)分析后再去構(gòu)建加強(qiáng)層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，調(diào)控好建筑體的剛度范圍。

1.2 抗震設(shè)防烈度問題

我國現(xiàn)階段關(guān)于建筑對于地震的設(shè)計原則是小規(guī)模地震建筑要無損，中震造成的危害可以修理，重度地震建筑不倒塌的原則。但是在當(dāng)前形勢下，我國設(shè)定的建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)相對較低的，中震的標(biāo)準(zhǔn)僅為規(guī)定基準(zhǔn)以上10%的地震烈度，這些標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)今及未來的發(fā)展趨勢下都有待商榷。除此以外，我國的抗震標(biāo)準(zhǔn)的計算和構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)均比外國要求低，安全程度也不高，另外對于抗震延性的要求如配筋率、建筑的承載力要求等也趕不上國外的水準(zhǔn)。

2 高層建筑的抗震設(shè)計

2.1 選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的抗震材料

建筑的布局影響著建筑的穩(wěn)定性，對于高層混凝土結(jié)構(gòu)也同樣適用，結(jié)構(gòu)的布局直接作用于建筑的主體，對于穩(wěn)固建筑及降低結(jié)構(gòu)形變對于建筑的影響有著重要作用，使整個建筑的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計及建設(shè)的剛度達(dá)到建筑的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范的建立可以更好的促進(jìn)事件的發(fā)展，建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范建立，在建筑施工中對于各結(jié)構(gòu)受力的分析及調(diào)控帶來了便利，有助于建筑的構(gòu)造穩(wěn)定，提升高層建筑對于地震的抵抗性。

2.2 選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系

2.2.1 高層建筑抗震體系的布局構(gòu)建除了要考慮布局的合理性與實用性，還需要保證其對稱與規(guī)范，以防止建筑扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致不平衡的現(xiàn)象出現(xiàn)，所以，在豎向面進(jìn)行結(jié)構(gòu)建設(shè)時，構(gòu)建的原則是由上而下調(diào)控結(jié)構(gòu)的剛度逐步減小，并呈現(xiàn)規(guī)律性變化，但是因為建筑要求需要改變結(jié)構(gòu)致使平面布局、剛度大小或負(fù)載力等參數(shù)不規(guī)則時，這時判斷其規(guī)則與否就要從以下幾個方面去進(jìn)行判定：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；（2）抗扭轉(zhuǎn)剛度比較差；（3）層剛度不達(dá)標(biāo)；（4）平面結(jié)構(gòu)不夠規(guī)則；（5）樓板結(jié)構(gòu)不規(guī)則；（6）豎直面剛度不規(guī)則，只要有一項符合條件的即為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，當(dāng)滿足三項及以上則屬于重度不規(guī)則，出現(xiàn)不規(guī)則情況后要在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行加強(qiáng)，提高其抗震能力，同時要進(jìn)行專項審查，是否合乎高層建筑的抗震設(shè)防規(guī)范和限度，一旦有經(jīng)過核實和調(diào)查與抗震規(guī)范要求指標(biāo)不相符的，被認(rèn)定為極度不規(guī)則體系的建筑，要及時與建筑設(shè)計者交流和協(xié)商，更設(shè)計方案。

2.2.2 多道抗震設(shè)防。地震中建筑結(jié)構(gòu)的各部分會出現(xiàn)損壞或塑形鉸，但是如果可以控制這些情況出現(xiàn)的順序，組成多層次的防御體系，那就可以保證結(jié)構(gòu)在地震中不倒。局部的損傷同樣會引起整體結(jié)構(gòu)的損傷，所以為了避免出現(xiàn)這一情況，需要組成超靜定結(jié)構(gòu)將不同的但延性好的其他體系一同抵御地震帶來的危害。因此對于構(gòu)件的整體性能和應(yīng)付形變的能力要求較高，一旦第一道抗震防御帶出現(xiàn)問題，第二道體系就要立刻作為屏障充當(dāng)起防衛(wèi)作用，保持建筑的穩(wěn)固。以框架剪力墻為例，它由抗震墻和框架組成兩道防線防御地震，二者分別為第一第二道防線。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)體系有多層抗震墻時才可以稱之為多層防御體系。從實際中可知，地震中房屋倒塌的原因是由于抗側(cè)重力面承載力不夠，當(dāng)選擇多層防御體系時，可以適當(dāng)削減初道抗震墻的控制防御能力，但同時要提升下一道防線的地震破壞抵御能力。

2.2.3 抗震薄弱層。在進(jìn)行建筑構(gòu)造時，有時會因為某些原因如材料的特性、形狀和性能，外觀要求或功能要求等，使建筑的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在各個方向平面上的不規(guī)則較大變動，當(dāng)出現(xiàn)地震時，由于地震的影響這些部位首先出現(xiàn)彈塑性非線性形變，這這些部位就會變成建筑的薄弱點，易引起建筑的損傷。但是要注意的是：（1）只有在地震情況比較嚴(yán)重時才出現(xiàn)有關(guān)薄弱層的彈塑性形變問題。（2）對建筑進(jìn)行受力分析時要考慮整個大局面的情況而不是僅僅只有薄弱地方的受力或形變問題。（3）薄弱層的位置不是一成不變的，它會隨著建筑的設(shè)計變遷或施工材質(zhì)的變化而遷移，因此如何能在調(diào)控薄弱層位置的變化的同時，又可以復(fù)合形變能力的指標(biāo)，這是才是解決建筑薄弱層問題關(guān)鍵所在。

2.3 剛度、承載力和延性的匹配

結(jié)構(gòu)的抗力與總體延性的關(guān)系是反比例關(guān)系。地震對于建筑的影響與建筑物的動力特性密切相關(guān)，只有建筑的承載力分布、剛度及延性滿足標(biāo)準(zhǔn)才能起到災(zāi)害防御作用。但是建筑側(cè)翼的剛度提高，需要加大資金的投入并同時會引起構(gòu)件延性的降低。高延性的構(gòu)件是支撐建筑抗倒塌的條件，但是在實際中是很難保證每個構(gòu)件都能有期待的延性指標(biāo)。因此，只有在建筑中選擇最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)和桿件，保證其延性的強(qiáng)度，這樣既降低了成本又滿足了要求。

3 高層建筑的防風(fēng)設(shè)計

風(fēng)力與時間的變動有關(guān)，在常見建筑中風(fēng)力對于建筑的影響較低，風(fēng)力荷載用一般的動態(tài)方法就就可以防御，然而在那些建筑體積纖細(xì)的上，風(fēng)力作用就比較明顯了。風(fēng)荷載數(shù)化的依據(jù)就是風(fēng)力的大小，而影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的預(yù)測壽命的依據(jù)就是最大風(fēng)力的數(shù)值。影響防風(fēng)設(shè)計的因素有以下幾個方面。

3.1 地理位置

在許多地方都有風(fēng)速統(tǒng)計記錄，已經(jīng)有相當(dāng)成熟的數(shù)據(jù)庫記錄，可用于繪制風(fēng)速分布地圖，將基本風(fēng)速用等值線代替顯現(xiàn)，而等值線則是地圖中的等值的比例風(fēng)速線。

3.2 物理位置

當(dāng)高層建筑處于不同地點，比如在內(nèi)陸和沿海地區(qū)，二者地表或地形上的粗糙度會影響風(fēng)速的變化，同時由于高度的變化風(fēng)速也在變強(qiáng)，所以粗糙系數(shù)就應(yīng)運而生，它從地理位置的表面粗糙度及樓層高度去考量風(fēng)速。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)尺寸

所處的高度越高，風(fēng)速就會越大，因此建筑的防風(fēng)設(shè)計與構(gòu)建的高度有關(guān)。這是就需要引入?yún)⒖硷L(fēng)速這一概念，它是由粗糙系數(shù)、地形等計算獲得的因式，而由風(fēng)速產(chǎn)生的壓力則與平均風(fēng)速有關(guān)，與其平方成正比例關(guān)系，平均風(fēng)速也是由參考風(fēng)速計算而得。

4 結(jié)束語

建筑物結(jié)構(gòu)的抗震功能非常重要，只有設(shè)計出嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的建筑抗震設(shè)計，才能抵御地震對于人們造成的危害，降低財產(chǎn)損失，因此只有在建筑的抗震設(shè)計中不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，以前事為鑒，才能有效地避免因地震而造成的諸如唐山大地震、汶川大地震式的悲劇。

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