高層建筑抗震性能的設(shè)計研究

鐘順美

（重慶市設(shè)計院　重慶　渝中　400015）

高層建筑抗震性能的設(shè)計研究

鐘順美

（重慶市設(shè)計院重慶渝中400015）

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國城市化進(jìn)程取得了進(jìn)一步發(fā)展，高層建筑逐漸在城市各個角落迅速發(fā)展，然而，由于自然災(zāi)害頻發(fā)，對高層建筑的抗震能力提出了更高要求，高層建筑抗震性能作為衡量一個建筑整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，受到人們廣泛關(guān)注。因此，加強(qiáng)對高層建筑物抗震性的研究具有現(xiàn)實意義。本文對高層建筑抗震性能的設(shè)計進(jìn)行了深入的研究。

高層建筑；抗震性能；設(shè)計分析

引言

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，建筑物的外形越來越新穎多變，建筑物的高度也越來越高。這也使得建筑設(shè)計師與結(jié)構(gòu)設(shè)計師之間的矛盾越來越突出，其主要矛盾的由來就是建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要求。我國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求，尤其是對高層建筑的體形等多方面有明確限制要求。本文對高層建筑抗震性能設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1　我國建筑業(yè)中的抗震現(xiàn)狀分析

我國現(xiàn)代抗震設(shè)計發(fā)展的歷史：我國較為系統(tǒng)的抗震設(shè)計文件（試行）始于1974年，在此之前雖然也做了大量的資料及數(shù)據(jù)收集工作，但由于之前的建筑物層數(shù)較低，平面布局較為簡單，地震發(fā)生地點多為偏遠(yuǎn)、人稀地區(qū)，震害影響較小，具體經(jīng)驗不足，一直未能形成統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定。通過很多震區(qū)震后的工程實例，可以看到，采取抗震設(shè)計的房屋，所受的地震破壞程度大幅度降低，但是由于地震災(zāi)害的不可預(yù)見性及復(fù)雜性的特點，也要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不能照本宣科，還須具體工程具體分析。雖然抗震設(shè)計規(guī)范多次修改，但我國抗震設(shè)計的基本思想變化不大。對于建筑形體設(shè)計要求還是平面基本規(guī)則，豎向規(guī)則，整體建筑簡單為主。這些抗震設(shè)計的基本要求是限制建筑設(shè)計方案發(fā)展的最主要一點。

2　提高高層建筑物抗震性能的有效對策

2.1緩沖地震壓力

高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，應(yīng)采用基于位移結(jié)構(gòu)抗震方式和方法，對設(shè)計方案進(jìn)行多次測量，確保整個建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)期地震壓力下的形變要求，確保建筑物在小地震影響下，不會出現(xiàn)倒塌等嚴(yán)重情況，影響到居民人身安全。另外，除了考慮高層建筑物縱向位移，還需要衡量其橫向位移，結(jié)合建筑物界面應(yīng)變分布情況，夯實地基，確保高層建筑在穩(wěn)定的場地上施工，緩沖地震壓力，有效提高高層建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2積極采用抗震措施

目前，我國大多數(shù)高層建筑一般采用延性結(jié)構(gòu)提高整個結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較大延性塑性狀態(tài)，緩沖地震對建筑物的影響力，減輕地震對建筑物的破壞，即便是一些高層建筑物承載力并不高，但是，如果其具有較強(qiáng)的延性，抗震性能也會有所提升，這主要是延性構(gòu)件在遇到地震時，能夠有效吸收地震釋放的能量，實現(xiàn)建筑物只裂不倒目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，為高層建筑提升抗震性能提供了支持，阻尼器在高層建筑物中的應(yīng)用，能夠有效減輕地震強(qiáng)度，吸收地震釋放的能量，從而提高建筑物抗震性能。

2.3選擇質(zhì)優(yōu)建筑材料

高層建筑結(jié)構(gòu)的各項性能是否能夠得到的實現(xiàn)，僅僅停留在建筑形式和機(jī)構(gòu)的設(shè)計上是不夠的，設(shè)計好了只是一個良好的開始，建筑結(jié)構(gòu)的材料選擇也是十分關(guān)鍵的，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計師不僅要具備充分的理論知識，同時也需要對各種抗震性能較好材料有一個全面客觀的認(rèn)識，并且能夠根據(jù)施工環(huán)境和區(qū)域特點適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行材料和建筑結(jié)構(gòu)選擇。在各種新型建筑材料和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中的時候，實用又經(jīng)濟(jì)的施工材料的選擇顯得尤為重要，站在抗震性能的角度來看，延伸性能較好的材料則是首選，再者，按照高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)越性來說，鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在目前的建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的較為普遍，而且相對來說也是穩(wěn)定性能比較好的。

2.4重視建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了能夠有效提高高層建筑抗震性，應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計。目前，我國鋼結(jié)構(gòu)加工制造能力較強(qiáng)，在建筑施工過程中，可以采用鋼骨混凝土等結(jié)構(gòu)，減少柱斷面尺寸，增強(qiáng)建筑物抗震性能。另外，我國傳統(tǒng)思想觀念中，強(qiáng)調(diào)以柔克剛，在工程設(shè)計過程中，可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)建筑抗震模式，通過柔性模式，來增強(qiáng)建筑物抗震性。例如：拱形結(jié)構(gòu)等。拱形結(jié)構(gòu)能夠分解建筑物整體負(fù)載力，有效增強(qiáng)建筑物抗震性。

2.5加強(qiáng)抗震防御建設(shè)

除了從高層建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化，提升抗震性，還可以從外部設(shè)置多重抗震防線，即便在遇到地震時，第一層防線遭到破壞，后續(xù)還有更多防線能夠有效保護(hù)建筑物。高層建筑在抗震防御建設(shè)過程中，可以通過設(shè)置多個肢節(jié)和壁式框架，有效地完成建筑物防御建設(shè)?？蚣芗袅ψ鳛楝F(xiàn)代高層建筑一種結(jié)構(gòu)，以其自身具有較好的多道防線抗震結(jié)構(gòu)，受到越來越多的關(guān)注，并得到廣泛普及和應(yīng)用。同時，要適當(dāng)增加剪力墻數(shù)量，增強(qiáng)其承載能力，另外，在剪力墻之間應(yīng)搭建連梁，將獨立的剪力墻構(gòu)成一個整體，滿足現(xiàn)代高層建筑抗震性需求，從而有效保障居民人身、財產(chǎn)安全。

3　實例分析高層建筑的抗震性能設(shè)計

3.1工程概況

本工程地下2層，地上42層，層高3.0m，建筑主體高度為129.0m。地下2層為設(shè)備用房，地下1層為自行車車庫等，地上除1層設(shè)入戶大堂外，其余均為住宅；采用剪力墻結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅷ度（0.2g），抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第三組，剪力墻抗震等級為一級。橫向剪力墻厚度：端部橫墻1層為500mm，2～5層為450mm，6～32層為400～300mm，32層以上為250mm；其余部位橫墻厚度1～26層為350mm，300mm，250mm，26層以上為300mm，200mm；縱墻厚度：1～5層為600mm，500mm，6～23層為600mm，450～300mm?；炷翉?qiáng)度等級：地下2層～地上5層為C50，6～27層為C40～C35，其余為C30；鋼筋采用HRB400。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.2抗震性能目標(biāo)確定

針對本工程為大高寬比剪力墻結(jié)構(gòu)超高層建筑，設(shè)計采用基于承載力的抗震性能分析方法。根據(jù)高規(guī)和抗規(guī)，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選定C級，即多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震作用下，其性能水準(zhǔn)分別為1、3、4。多遇地震性能水準(zhǔn)1、設(shè)防烈度地震性能水準(zhǔn)3的震后性能狀況與規(guī)范“小震不壞、中震可修”的基本設(shè)防目標(biāo)一致，大震性能水準(zhǔn)4的震后性能狀況高于“大震不倒”的基本設(shè)防目標(biāo)。

3.3關(guān)鍵問題

3.3.1動力特性

X，Y向高寬比差異較大，兩方向動力特性難以相近，如圖2所示，本工程通過剪力墻的多種布置（含電梯井單片墻和井筒布置）計算比較和墻厚調(diào)整，使X，Y向平動周期比達(dá)0.83，基本接近0.85。

圖2　最大層間位移角曲線

3.3.2抗傾覆穩(wěn)定

高寬比太大，寬度方向抗傾覆彎矩相對傾覆彎矩小很多，基底零應(yīng)力區(qū)面積難以滿足要求。本工程按小震、中震和大震作用分別計算基底零應(yīng)力區(qū)面積，擴(kuò)大主樓地下室平面范圍，將主樓筏板基礎(chǔ)隨地下室一同擴(kuò)大，并增設(shè)鋼筋混凝土扶壁墻以增大延伸部分筏板基礎(chǔ)的面外剛度，達(dá)到增大抗傾覆彎矩的效果，且將小震、中震作用下基底零應(yīng)力區(qū)控制為零，大震作用基底零應(yīng)力區(qū)面積控制在25%內(nèi)。

3.3.3墻肢受拉

橫墻承擔(dān)Y向地震抗剪作用，不承擔(dān)X向地震抗剪作用，但X向中震作用下，端橫墻受拉效應(yīng)明顯，甚至墻肢全截面受拉，且平均拉應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均較大；Y向中震作用下，橫墻墻肢平均拉應(yīng)力為零，但墻肢面內(nèi)彎矩效應(yīng)較大，墻端拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度較多而嚴(yán)重開裂。外向縱墻肢承擔(dān)X向地震抗剪作用，不承擔(dān)Y向地震抗剪作用，但X向中震作用下，其平均拉應(yīng)力雖然較小，但面內(nèi)彎矩效應(yīng)明顯使墻端拉應(yīng)力顯著導(dǎo)致墻端嚴(yán)重開裂；Y向中震作用下，一側(cè)外縱向墻肢受拉效應(yīng)明顯而另一側(cè)外縱向墻肢受壓效應(yīng)明顯，兩側(cè)外縱向墻肢拉、壓效應(yīng)形成抵抗力矩，兩側(cè)墻肢均因拉力和面內(nèi)彎矩效應(yīng)較大導(dǎo)致墻端嚴(yán)重開裂。針對中部樓層（20層）以下墻肢受拉效應(yīng)明顯的問題，本工程在橫墻端部及外縱向墻肢端部增設(shè)型鋼或工字鋼暗柱，增大墻身豎向鋼筋配筋率以提高墻肢抗拉能力；降低外縱向墻肢軸壓比（較高規(guī)限值降低0.1），提高剪力墻抗震延性；設(shè)過渡層，減小剪力墻正截面承載力和水平抗剪承載力的豎向突變。

3.4抗震優(yōu)化設(shè)計

①應(yīng)優(yōu)化兩方向剪力墻布置，使兩方向第一平動周期比接近0.85。②大高寬比剪力墻結(jié)構(gòu)超高層建筑，除滿足小震作用下的抗傾覆穩(wěn)定要求外，宜補(bǔ)充中震、大震作用下的抗傾覆穩(wěn)定驗算。小震、中震作用下基底不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，大震作用下基底零應(yīng)力區(qū)面積不宜大于25%。③剪力墻主筋和連梁配筋多為中震控制，剪力墻須作中震抗彎不屈服和中震彈性性能設(shè)計，保證中震可修的抗震設(shè)防目標(biāo)。④中震作用下，除端部橫墻在X向地震作用和一側(cè)外縱向墻肢在Y向地震作用下全截面受拉效應(yīng)明顯外，其余墻肢均因面內(nèi)彎矩較大而偏心受力效應(yīng)顯著，導(dǎo)致墻端最大拉應(yīng)力較大而開裂。計算時除應(yīng)控制墻肢平均拉應(yīng)力外，尚應(yīng)控制墻肢受拉區(qū)最大拉應(yīng)力，以滿足中震輕微損壞的性能目標(biāo)。⑤外縱向墻肢在Y向中震作用下，一側(cè)受拉效應(yīng)明顯，另一側(cè)受壓效應(yīng)明顯。除控制平均拉應(yīng)力和受拉區(qū)墻端最大拉應(yīng)力外，應(yīng)適當(dāng)降低外縱向墻肢軸壓比限值，提高墻肢抗震延性。⑥針對墻肢受拉效應(yīng)明顯的特點，應(yīng)在墻端增設(shè)鋼暗柱以承擔(dān)全部拉力，提高豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋的配筋率以提高中震和大震作用下整體抗拉抗裂性能和抗剪承載力。鑒于外縱向墻肢受拉效應(yīng)更為突出的特點，建議采用型鋼混凝土構(gòu)件。⑦大高寬比剪力墻結(jié)構(gòu)超高層建筑，采取抗震性能設(shè)計并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施后，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全度要求，但宜考慮工程造價的合理性。

4　結(jié)束語

根據(jù)上文所述，高層建筑物作為城市發(fā)展中的重要組成部分，與城市居民人身、財產(chǎn)安全息息相關(guān)。因此，為了能夠促進(jìn)城市建設(shè)更好地發(fā)展，抵御自然災(zāi)害給建筑帶來的消極影響，應(yīng)了解影響高層建筑物穩(wěn)定性的因素，并采取有效措施，設(shè)計合理的建筑結(jié)構(gòu)，選擇質(zhì)優(yōu)材料，積極采用抗震措施，加強(qiáng)抗震防御建設(shè)等，提高建筑物抗震性能，從而推動我國建筑事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

[1]李赫男.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的研究[J].黑龍江科技信息，2013（24）：188.

[2]柳天偉.高層建筑抗震性能設(shè)計問題研究[J].科技致富向?qū)В?014（21）：237.

[3]石偉亮，李娟.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能和抗震設(shè)計的分析[J].建材與裝飾，2013（26）：109～110.

TU973+.31

A

1673-0038（2015）23-0017-03

2015-5-17

鐘順美（1982-），女，工程師，碩士，主要從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工作。