高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化措施探討

曾建寧

摘 要：該文從高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要內(nèi)容入手，對高層建筑抗震設(shè)計中常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化措施進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：高層建筑 建筑結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計 優(yōu)化

中圖分類號：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0084-01

近年來我國地震災(zāi)害發(fā)生的較為頻繁，在地震發(fā)生時，建筑受到破壞性較大，而且部分建筑還會發(fā)生倒塌，所帶來的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡較大。高層建筑由于其層數(shù)較多，容積率較大，一旦在地震中出現(xiàn)坍塌會帶來嚴(yán)重的損害。因此做好建筑抗震設(shè)計具有十分重要的意義，所以需要在設(shè)計時對其抗震性能進(jìn)行重點關(guān)注和優(yōu)化，有效的提高高層建筑的抗震性能。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要內(nèi)容

抗震設(shè)計的基本原則是要滿足抗震設(shè)防目標(biāo)大震不倒、中震可修、小震不壞3個水準(zhǔn)的要求，在確定這個原則時，需要按抗震設(shè)計兩階段進(jìn)行設(shè)計，這兩個階段分別是多遇地震下的情況和罕遇地震的情況，前者采用彈性反應(yīng)譜法，后者采用抗倒塌彈塑性變形驗算。對一些超越規(guī)范的高層建筑，可以采用基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計理論進(jìn)行設(shè)計。

2 高層建筑抗震設(shè)計中常出現(xiàn)的問題

2.1 建筑平面和豎向不規(guī)則

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高和大家對流動的藝術(shù)的追求，建筑師創(chuàng)作的平面和立面越來越復(fù)雜。進(jìn)而平面和立面規(guī)則性超限的情況越來越普遍。這就使得建筑的抗震性能有很大的削弱。

2.2 地基的選取不科學(xué)

不同的地基類型對地震力的傳遞有不同的特點，高層建筑由于垂直高度較高，自身重量較大，所以在選址時，對于土質(zhì)的硬度、密實度和對地形的開闊和平坦性具有較高的要求，而且要遠(yuǎn)離河岸，避免抗震危險性路段，這樣才能確保高層建筑的基礎(chǔ)具有較好的抗震性能，能夠在地震力作用下具有較好的承受能力。但當(dāng)前由于我國城市發(fā)展速度的加快，城市人口不斷增加，很大一部分房地產(chǎn)開發(fā)商在進(jìn)行高層建筑選址時都會更多的對其商業(yè)利益和商業(yè)開發(fā)空間進(jìn)行考慮，這就導(dǎo)致高層建筑地基在選取上具有較多的適宜性和不科學(xué)性，從而使其抗震性能降低，在地震發(fā)生時高層建筑的基礎(chǔ)破壞較為嚴(yán)重。

2.3 材料的選取不科學(xué)

近年來我國地震發(fā)生的較為頻繁，這就需要在地震頻發(fā)地區(qū)在進(jìn)行高層建筑設(shè)計時，需要確保其結(jié)構(gòu)體系的合理性，同時還要合理選擇結(jié)構(gòu)材料。但因為施工、經(jīng)濟(jì)等原因，輕質(zhì)高強(qiáng)材料并沒有合理的采用。還停留在增加水泥、增加鋼筋、加大截面來剛性提高結(jié)構(gòu)安全，運(yùn)用新材料、減震、隔震材料用的少。

2.4 抗震設(shè)防烈度較低

限于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度，目前我國的建筑的抗震設(shè)防烈度較低，中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率大約為10%的地震烈度，較低的抗震設(shè)防烈度放松了高層建筑的抗震要求。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化措施

要設(shè)計出具有較好的抗震能力的建筑應(yīng)該從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和構(gòu)件設(shè)計兩方面進(jìn)行作手。

抗震概念設(shè)計對結(jié)構(gòu)的抗震性能起決定性作用，因此新規(guī)范（規(guī)程）均在相關(guān)條文中強(qiáng)調(diào)了建筑與結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的重要性，并要求建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在高層建筑設(shè)計中應(yīng)特別重視建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的優(yōu)化準(zhǔn)則，即“四強(qiáng)四弱”“強(qiáng)柱弱梁”是指節(jié)點處柱端實際受彎承載力大于梁端實際受彎承載力；“強(qiáng)剪弱彎”是防止構(gòu)件剪切的破壞，要求桿件的受剪承載力高于受彎承載力；“強(qiáng)節(jié)點弱桿件”是防止節(jié)點的破壞先于構(gòu)件；對于桿件截面而言，“強(qiáng)壓弱拉”是為避免桿件在彎曲時發(fā)生受壓混凝土破裂的脆性破壞，使受拉區(qū)鋼筋的承載力低于受壓區(qū)混凝土受壓承載力具體的可以從以下幾點進(jìn)行考慮。

3.1 選擇有利的抗震場地

地震對建設(shè)在不同地質(zhì)條件上建筑設(shè)施的破壞作用有明顯差異。在施工做好地基地質(zhì)勘察工作，確保建筑場地有利于建筑設(shè)施的抗震，應(yīng)避開對抗震不利地段，當(dāng)無法避開時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣呖拐鹉芰?。按照建筑場地地基地質(zhì)特點和受地震破壞作用的強(qiáng)弱進(jìn)行有效分類，根據(jù)建筑場地的實際情況合理采取抗震措施，如根據(jù)地基地質(zhì)抗震設(shè)防類別、地基液化等級等實際情況合理選擇采用合理的基礎(chǔ)形式，或者有效消除地基液化沉陷現(xiàn)象。

3.2 選用合理的結(jié)構(gòu)體系

體系問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)把握的頭等重要的問題。應(yīng)注意體系的合理性問題，優(yōu)先采用抗震能力強(qiáng)、延性好、耗能能力強(qiáng)、便于施工的具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系（如采用設(shè)置耗能連梁的抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-抗震墻、框架-筒體結(jié)構(gòu)等）。避免采用抗震能力較低的板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、尤其是單跨框架結(jié)構(gòu)等。

3.2.1 優(yōu)化平面和立面設(shè)計

結(jié)構(gòu)的簡單性，即盡量均勻、對稱。結(jié)構(gòu)簡單是指結(jié)構(gòu)在地震作用力下具有直接和明確的傳力途徑。只有簡單的結(jié)構(gòu)，才能夠易于把握建筑結(jié)構(gòu)的計算模型、內(nèi)力位移分析和結(jié)構(gòu)薄弱部位，從而對結(jié)構(gòu)的抗震性能也有更可靠的估計。對于為了滿足建筑功能要求的平面和立面的不規(guī)則，可以采取以下幾點給予改善。

3.2.2 提高結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力

水平地震的作用是雙向的，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使高層建筑能抵抗任意方向的地震破壞。通常設(shè)計可使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力，結(jié)構(gòu)的抗震能力則是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及延伸的綜合反映。結(jié)構(gòu)剛度的選擇不僅要能減輕地震破壞作用，還要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增幅，過大的變形會產(chǎn)生重力二階效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、失穩(wěn)。

3.2.3 結(jié)構(gòu)的整體性

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，樓蓋的設(shè)計對高層建筑整體性起到至關(guān)重要的作用，樓蓋相當(dāng)于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，而且要求這些結(jié)構(gòu)能協(xié)同承受地震作用。特別是豎向布置復(fù)雜或抗側(cè)力構(gòu)件水平變形特征不同步的結(jié)構(gòu)，就更要依靠樓蓋使抗側(cè)力與結(jié)構(gòu)能協(xié)同工作。

3.2.4 設(shè)置完善的抗震措施

抗震建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)全面考慮到建筑物的設(shè)防烈度、房屋高度、場地、地基、基礎(chǔ)、材料和施工等因素，經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件綜合考慮來確定。首先應(yīng)設(shè)較多道抗震防線，從而避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個高層建筑結(jié)構(gòu)體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力減弱。合理的剛度和強(qiáng)度分布，會避免因局部消弱、突變性、過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中可能產(chǎn)生的薄弱部位。

3.3 選用合適的建筑材料

合理選擇高層建結(jié)構(gòu)材料也有利于提高建筑設(shè)施的抗震性能。從抗震設(shè)計的角度對建筑工程所用材料參數(shù)進(jìn)行有效分析，選用符合高層建筑抗震要求的工程材料。盡量選用高性能混凝土和高強(qiáng)鋼筋及其他高強(qiáng)輕質(zhì)材料，以提高提高構(gòu)件內(nèi)力及抗震性能，并應(yīng)積極運(yùn)用新型減震、隔震材料。

4 結(jié)語

隨著高層建筑技術(shù)的不斷成熟，其抗震設(shè)計水平不斷提升，高層建筑抗震設(shè)計的方案越來越趨向于科學(xué)和合理，再加之各種新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，高層建筑抗震性能不斷提升，有效的提高了地震發(fā)生時建筑的安全性。

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