高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

嚴(yán)棟

【摘 要】為了提高土地利用率，高層建筑不斷被建設(shè)，面對地震，高層建筑物面臨的威脅更大，安全性受到更大的影響。但是由于高層建筑抗震設(shè)計屬于繁重而復(fù)雜的過程，需要從多方面同時入手，因此，在進行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)對高層建筑所處的地質(zhì)和環(huán)境進行詳細(xì)的分析和研究，選用適合的抗震結(jié)構(gòu)，進而提高高層建筑的抗震能錄，提高建筑物的安全性。

【關(guān)鍵詞】高層；混凝土建筑；抗震；結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的特點

高層建筑從直觀上來說規(guī)模較大，所需的成本也較高。高層建筑從本質(zhì)上來看是一種處于豎向的懸臂梁的建筑結(jié)構(gòu)，其垂直載荷可使該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的軸向力[1]。由于高層混凝土建筑和其本身結(jié)構(gòu)是成線性關(guān)系的，因此導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的彎矩。對高層建筑而言其垂直方向的荷載一般是不會產(chǎn)生很大的變化，只是隨著建筑的層數(shù)的增加而導(dǎo)致高層建筑在垂直方向的荷載數(shù)量上的增加。如果高層建筑自身荷載分布是呈均勻分布的話，高層建筑和彎矩之間即會產(chǎn)生一種二次方變化的關(guān)系，對高層建筑而言其側(cè)移性在豎直方向上的偏移量都較少，如果高層建筑的水平方向的荷載是處于均勻分布的狀態(tài)則此時高層建筑的水平偏移量即會和高層建筑的具體高度產(chǎn)生四次方的變化關(guān)系。綜上可知，對高層建筑而言對其影響較大的荷載主要是高層建筑的水平荷載。在高層混凝土建筑的水平荷載作用的過程中會產(chǎn)生一定程度上的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎矩。因此在高層混凝土建筑過程中需要在保證高層建筑有較大的抗壓強度的同時還需要保持一定的結(jié)構(gòu)剛度。從而保證高層混凝土建筑在增加高度的同時能夠?qū)⒏邔踊炷两ㄖ乃狡屏靠刂圃诤侠矸秶畠?nèi)。

1、選擇正確的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑在設(shè)計過程中在充分考慮建筑的實際功用的同時也還需要考慮一下建筑高度和建筑實際抗震性能之間的關(guān)系，在合理建筑高度和較好抗震性能之間選擇一個平衡點，考慮上述要素之后還需要綜合考慮樓層建筑所處的具體環(huán)境，綜合上述因素之后選擇一個最優(yōu)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中常用的建筑結(jié)構(gòu)主要由以下三種類型：框架、筒體、剪力墻和剪力-板柱墻建筑結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時需要在設(shè)計過程中能夠靈活的布置和設(shè)計建筑室內(nèi)的空間?？蚣苁降慕Y(jié)構(gòu)建筑體系適合那些建筑層數(shù)不多，總體建筑高度較低，并且建筑的水平方向的荷載對建筑本身并不會產(chǎn)生較大的影響建筑進行設(shè)計。在實踐過程中可以得知，框架式的結(jié)構(gòu)建筑是一種主要是以剪應(yīng)力為基礎(chǔ)的柔性的建筑結(jié)構(gòu)，這種建筑結(jié)構(gòu)在實際設(shè)計過程中受到的限制很多，主要是適用于那些建筑高度較低并且不需要抗震特性設(shè)計的場合。這種建筑結(jié)構(gòu)在實踐過程中主要依靠建筑結(jié)構(gòu)中的混凝土墻來承受建筑結(jié)構(gòu)中的所有水平方向和豎直方向上的載荷，也就是所謂的剛性結(jié)構(gòu)。建筑剪力墻自身的結(jié)構(gòu)強度較大，同時抗側(cè)向彎曲強度比較大，雖然建筑本身在水平力的長期作用情形下會產(chǎn)生比較大的側(cè)向變形，但是這種建筑結(jié)構(gòu)在實際中的整體空間效果還是比較良好。相互對比一下，這種建筑結(jié)構(gòu)在實際設(shè)計過程中設(shè)計的剪力墻自重比較大，因此很難滿足用戶對入住建筑空間的整體預(yù)期。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)中采用框架-剪力墻形式的結(jié)構(gòu)時，可以在實際設(shè)計過程中增加剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也就是一種剛?cè)嵯酀囊环N建筑結(jié)構(gòu)形式。在這種建筑結(jié)構(gòu)形式中需要框架和剪力墻一起來承擔(dān)起建筑本身的水平方向的載荷，但是由于框架和剪力墻在剛度方面存在比較大的差異，因此在實際稱重過程中產(chǎn)生的變形情況也是不同的。所以在實際過程中需要對建筑結(jié)構(gòu)中的各樓層的變形量進行適當(dāng)?shù)目刂苼肀ＷC剪力墻和框架承重過程中產(chǎn)生的變形量之間的協(xié)同。對建筑結(jié)構(gòu)而言，剪力墻在受力過程中主要是彎曲變形，結(jié)構(gòu)受力主要是剪切變形。通過變形之間的穩(wěn)定有效的調(diào)節(jié)可以使框架在剪力墻的有效協(xié)助下能夠?qū)崿F(xiàn)抗震的效果。同時因為這種結(jié)構(gòu)的抗震效果能夠非常突出的表現(xiàn)剪力墻和框架各自的優(yōu)點，因此非常適用于各種各樣的建筑結(jié)構(gòu)使用。對于板柱結(jié)構(gòu)形式的建筑結(jié)構(gòu)來說其在實際過程中可以適當(dāng)性的加入一些類似井筒之類的構(gòu)件，并且在實際承重過程中，建筑結(jié)構(gòu)中的側(cè)向力主要是由剪力墻構(gòu)件來承擔(dān)，所以在實際中建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向強度能夠產(chǎn)生很大程度上的提升。在實際應(yīng)用過程中這種建筑結(jié)構(gòu)形式主要是應(yīng)用在7、8級抗震建筑中，但是需要注意一點即是在實際過程中這種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用的樓層高度不能太高。

2、加強高層結(jié)構(gòu)的有效布設(shè)。對于高層獨立的具體單元而言，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)充分保證建筑結(jié)構(gòu)的具體簡約性、剛度和規(guī)則性，并且還需要保證建筑結(jié)構(gòu)在承載載荷過程中受力均勻。同時對于建筑結(jié)構(gòu)的豎向的體型來說應(yīng)當(dāng)在實際設(shè)計過程中保證其豎向體型的均勻性和規(guī)則性，這種要求能夠避免出現(xiàn)較大的內(nèi)收、外挑。至于建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向上的剛度來說其在設(shè)計過程中最好保證建筑外形是上大下小，變化需要均勻。并且還需要符合一定的規(guī)范。首先，在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)該保證設(shè)計建筑能夠承載住預(yù)期的載荷，保證建筑結(jié)構(gòu)所需的剛度及變形能力，同時在設(shè)計過程中需要及時避免由于建筑結(jié)構(gòu)本身的原因而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)喪失了承受建筑載荷的能力。其次，對于建筑結(jié)構(gòu)在實踐中經(jīng)常出現(xiàn)問題的一系列較薄的位置需要進行相應(yīng)的調(diào)整和改善。最后，建筑結(jié)構(gòu)的豎直方向上的承載能力和剛度應(yīng)該分布合理化，避免由于建筑結(jié)構(gòu)局部的變形或者是局部的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生了一系列負(fù)面影響。

二、高層建筑的結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計上的基本方法

為了減少地震的能量輸入，可以將高層建筑的建造場所設(shè)置在場地比較厚實的場所，達到在地震產(chǎn)生時減少對高層建筑的損傷的目的?，F(xiàn)在建筑當(dāng)中采用的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計基本上都是傳統(tǒng)形式的抗震結(jié)構(gòu)體系，也就是所謂的“延性結(jié)構(gòu)體系”，在實際設(shè)計建筑過程中需要能夠適當(dāng)?shù)恼莆战ㄖY(jié)構(gòu)物的剛度。在實際設(shè)計過程中可以提高建筑結(jié)構(gòu)的阻尼，在選用建筑結(jié)構(gòu)材料時可以采用一些具備高延性的構(gòu)件，從而能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的實際過程中的耗能的能力，減少地震產(chǎn)生時對建筑結(jié)構(gòu)的沖擊作用，從而減少建筑樓層在地震發(fā)生時產(chǎn)生的剪力。高層建筑設(shè)計時，結(jié)構(gòu)材料的選擇是非常重要的，要盡可能的選用抗震能力較好的抗震材料，從而改變過去那種只對結(jié)構(gòu)抗震的可靠度做考慮研究而無視其他因素。

1、抗震結(jié)構(gòu)基本方案。高層建筑由于和低層建筑在受力方面有較大不同，因此在設(shè)計高層建筑過程中不僅需要保證高層建筑的合理結(jié)構(gòu)剛度還需要保證高層建筑結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中實質(zhì)上即是減少地震能量對建筑物的沖擊，達到抗震的目的。為了達到這一目的在實際建筑結(jié)構(gòu)抗震體系設(shè)計過程中需要注意以下一些問題。在設(shè)計抗震層時抗震層頂部和基礎(chǔ)面之間的間隙至少需要達到0.7米，同時為了充分利用建筑的使用功能可以將維修層改造成地下室，此時將地震層放置在地下室的墻頂或者是柱頂中即會達到比較好的效果。當(dāng)在設(shè)計過程中要想獲得較良好的構(gòu)件受力的情況，并且水平方向上的剪力又是比較大時，此時應(yīng)將抗震器放置在地下室的柱中。

2、抗震性能提高策略。在設(shè)計工程建筑過程中由于高層建筑和低層建筑在建筑受力方面有著很大的不同，因此在實際設(shè)計過程中對一些處在地震頻發(fā)區(qū)域的高層建筑要將建筑結(jié)構(gòu)的剛度，強度，建筑的可變形量控制在合理范圍內(nèi)，在達到抗震功能要求的同時進行最大程度上的外形優(yōu)化。在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的框架形式當(dāng)中需要保證抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中節(jié)點不會輕易受到外界的破壞，同時需要保證抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的梁柱頂端自身的塑性要盡可能的分散，只有這樣才能夠充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

總結(jié)：

地震發(fā)生具有隨機性、強破壞、伴隨余震次數(shù)多等特點，給社會帶來巨大的損失，而建筑抗震能力的強弱直接關(guān)系著人們的生命財產(chǎn)安全。因此，結(jié)構(gòu)工程師在規(guī)劃高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該充分研究以往地震對建筑作用的資料，在各面了解建筑的施工技術(shù)、工藝流程、管理、經(jīng)濟、實用性能的基礎(chǔ)上，采取合理有效的對策增強其結(jié)構(gòu)的抗震性能，使其具有良好的抗震效果。

參考文獻：

[1]孫小華，余軍.高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計探析[J].城市建筑，2013（10）：52.

[2]王牧春.談高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（06）：180.

[3]梁興文，鄧明科，李曉文，等.鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，