淺談對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

馮嘯虎廖建英

（1.廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院廣西　南寧市　5300222.廣西建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心　廣西　南寧市　530000）

淺談對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

馮嘯虎1廖建英2

（1.廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院廣西南寧市5300222.廣西建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心廣西南寧市530000）

就我國(guó)地理位置來看，屬于多地震的國(guó)家，因此在高層建筑過程中必須充分考慮建筑物抗震需要。因?yàn)榈卣鹁邆洳淮_定性與復(fù)雜性，所以在地震規(guī)律性方面比較難以把握，這就需要高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中合理應(yīng)用抗震的概念設(shè)計(jì)。本文就抗震概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，探討抗震概念設(shè)計(jì)中的有效措施，使得高層建筑不會(huì)因?yàn)榈卣鸲艿絿?yán)重毀壞。

高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震概念；設(shè)計(jì)

1　前言

自從改革開放來我國(guó)綜合國(guó)力有了顯著提高，相關(guān)建筑業(yè)相繼取得較好的成績(jī)，并成為當(dāng)下社會(huì)中的一個(gè)重要支柱產(chǎn)業(yè)。因?yàn)槲覈?guó)人口眾多，土地資源比較寶貴，因此需要合理應(yīng)用土地來實(shí)施建筑，其中高層建筑則使得土地資源可以高效利用，再加上計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的普及，現(xiàn)代高層建筑發(fā)展越來越快。同時(shí)由于國(guó)內(nèi)外不斷加快的城市化建設(shè)進(jìn)程，導(dǎo)致人口增多地價(jià)不斷上漲，高層建筑的發(fā)展成了必然趨勢(shì)。而高層建筑的設(shè)計(jì)人員需要全方面認(rèn)識(shí)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系與特點(diǎn)，唯有如此，才可以讓建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量得到保證。

2　關(guān)于高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震要求比較高，其中延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要的指標(biāo)

由于高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不只需要考慮使用過程中豎向風(fēng)荷載與橫向風(fēng)荷載，還需要使建筑結(jié)構(gòu)具備較好的防震性，盡可能讓高層建筑物不會(huì)因?yàn)榈卣鹗艿捷^大的影響。其中建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能主要受耗散和能量吸收能力大小的影響，也就是直接受結(jié)構(gòu)延性大小影響。而延性主要表示結(jié)構(gòu)與構(gòu)件屈服以后，其承載力不會(huì)降低，并具備可塑性的能力。一般情況下通過μ系數(shù)衡量延性大小，而μ等于△u/△y，具體變化從圖1中可以看出。

圖1

2.2結(jié)構(gòu)的材料

通常為讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備較好防震性，相關(guān)設(shè)計(jì)者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系與形式進(jìn)行研究的過程中，還要充分了解施工材料抗震的性能，這就可以按照實(shí)際的情況，選擇經(jīng)濟(jì)適用以及能夠抗震的材料。同時(shí)選擇抗震結(jié)構(gòu)的材料過程中，需要高度重視抗震結(jié)構(gòu)的材料性能，其中要求包含以下幾個(gè)方面：延性的系數(shù)比較高、連接性要比較好以及將材料強(qiáng)度充分發(fā)揮出來等，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)衡量可以得出，在高層建筑的建筑過程中不同材料抗震性也存在差異，具體次序是鋼結(jié)構(gòu)→型鋼的混凝土→鋼-混凝土混合的結(jié)構(gòu)→鋼筋的混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)→混凝土的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)→裝配鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)→配筋的砌體結(jié)構(gòu)。

2.3關(guān)于多道抗震的設(shè)防體系

關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中，不管選取什么樣的建筑材料，設(shè)置抗震防線都是必不可少的一個(gè)步驟。一般情況下每次地震發(fā)生時(shí)間都存在差異，地震發(fā)生時(shí)間如果較長(zhǎng)，連續(xù)強(qiáng)脈沖就會(huì)在高層建筑中出現(xiàn)重復(fù)沖擊作用力，也就產(chǎn)生累積破壞。高層建筑結(jié)構(gòu)如果利用單結(jié)構(gòu)的體系，設(shè)置一道防震的防線，只要出現(xiàn)初次破壞，隨之出現(xiàn)的地震就容易造成建筑物的毀壞。因此高層建筑結(jié)構(gòu)只要設(shè)置多道防震的體系，即便第一道的防線毀壞，后面的各道防線也會(huì)保護(hù)建筑物[1]。

2.4布置結(jié)構(gòu)

在高層建筑的平面結(jié)構(gòu)布置過程中，需要對(duì)稱分布抗側(cè)力的體系，降低房屋重量并使得重量可以均勻的分布，這樣能夠有效降低地震扭轉(zhuǎn)的影響。此外，布置結(jié)構(gòu)主要是為了提升抗顛覆的能力與增強(qiáng)抗扭的剛度，因此需要高度重視較大抗側(cè)剛度芯筒與抗震墻具體位置，以免產(chǎn)生薄弱層，還要盡量將房屋重心降低。地震發(fā)生時(shí)，由于首道防線會(huì)受到破壞或者是先行屈服，這就需要首道防線構(gòu)成部分應(yīng)該在少負(fù)擔(dān)或者是不負(fù)擔(dān)豎向的荷載構(gòu)件，例如：筒體、填充墻與抗震墻等。純框架的結(jié)構(gòu)中，房梁要先于柱進(jìn)行區(qū)服，也就是強(qiáng)柱弱梁的框架。其中建筑結(jié)構(gòu)變形與承載能力會(huì)因?yàn)闃?gòu)件變形與承載能力發(fā)揮情況而受到影響，這就要求確保關(guān)鍵部位與構(gòu)件具備足夠延性水平與適當(dāng)強(qiáng)度。而平面設(shè)計(jì)上，需要提高復(fù)雜平面的各翼交接處、房屋周邊的轉(zhuǎn)角處與平面的突變處各個(gè)構(gòu)件的延性，而一些較為偏離的結(jié)構(gòu)，則要增強(qiáng)房屋周邊較弱構(gòu)件延性，具備多道防震防線抗側(cè)力的體系，需要將第一道的防線構(gòu)件延性提高，同一個(gè)構(gòu)件中，還要關(guān)注關(guān)鍵桿件延性的加強(qiáng)。

3　關(guān)于高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)措施

3.1延性和剛度要合理的匹配

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，政府已經(jīng)出臺(tái)了相關(guān)規(guī)范，由于高層建筑的高度較高與層數(shù)比較多，為了確保高層建筑的結(jié)構(gòu)具備必要?jiǎng)偠?，需要?yán)格控制層間的位移，也就是對(duì)剛度大小與構(gòu)件截面的大小相對(duì)指標(biāo)進(jìn)行控制。此外高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性會(huì)受到抗側(cè)強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)比較柔還是比較剛，取決于設(shè)計(jì)人員，而場(chǎng)地卓越周期要和剛度決定結(jié)構(gòu)的自振周期相互避開，避免出現(xiàn)類共振的現(xiàn)象，致使建筑物倒塌與破壞。因?yàn)楦邔咏ㄖ诘卣鸬孛娴倪\(yùn)動(dòng)反應(yīng)屬于動(dòng)力的反應(yīng)，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系與建筑時(shí)需要充分了解地震波頻譜成分和覆蓋層的厚度間動(dòng)力效應(yīng)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)體系基本的周期以及場(chǎng)地軟硬的程度，以免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)二重類或是單重共振導(dǎo)致嚴(yán)重毀壞。

其中建筑的類共振毀壞問題過去在墨西哥已經(jīng)受到工程界重視，主要原因就是，墨西哥地勢(shì)低洼、土質(zhì)厚度大且比較松軟，場(chǎng)地的卓越周期比較長(zhǎng)，周期范圍比較接近二十層高層建筑周期，也就導(dǎo)致嚴(yán)重的震害，因此設(shè)計(jì)建筑方案過程中，需要對(duì)卓越周期進(jìn)行預(yù)估，然后調(diào)整結(jié)構(gòu)層數(shù)，選取適合結(jié)構(gòu)體系與類別，讓建筑基本周期可以有效避開場(chǎng)地卓越的周期。通常情況下，部分地區(qū)因?yàn)榈刭|(zhì)比較好，其基巖深埋比較淺，加之高層建筑基本使用樁基礎(chǔ)實(shí)施建筑，建筑物具備一到兩層地下室，而持力層一般處于中間位置，地基特征的周期值比較小，在以上條件下，關(guān)于高層建筑抗側(cè)高度通常能設(shè)計(jì)得比較柔軟，通過結(jié)構(gòu)極限變形的能力來作為具體控制值。同時(shí)滿足變形限值前提下，高層建筑結(jié)構(gòu)剛度要控制在適當(dāng)范圍，這樣不僅可以降低地震的作用，還可以減小建筑物出現(xiàn)共振可能性，還能達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。

從許多工程實(shí)踐中可以看出，硬場(chǎng)地上建設(shè)的建筑物能夠控制變形，既經(jīng)濟(jì)又安全。其中高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力一般通過變形能力與承載能力共同決定，建筑物承載能力低，一般延性結(jié)構(gòu)就會(huì)相對(duì)比較大，可以吸收較多能量，損壞雖然發(fā)生的比較早，但是可以經(jīng)受較大變形，不容易出現(xiàn)倒塌[2]。

3.2高層建筑結(jié)構(gòu)布置需要規(guī)則并簡(jiǎn)單

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)布置要盡可能的簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)布置只有簡(jiǎn)單才可以準(zhǔn)確分析位移、計(jì)算模型與內(nèi)力，薄弱部位出現(xiàn)閑置也比較容易把握，這樣高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也相對(duì)可靠。同時(shí)建筑平面比較規(guī)則、均勻布置結(jié)構(gòu)。能夠有效預(yù)防薄弱子結(jié)構(gòu)的過早倒塌與破壞，能使地質(zhì)的作用重新分布在各個(gè)子結(jié)構(gòu)間，也就增加了結(jié)構(gòu)贅余度的數(shù)量，并充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)將地震作用耗散的作用。此外沿高層建筑的豎向，結(jié)構(gòu)與建筑造型基本都是均勻布置，以免出現(xiàn)傳力途徑、剛度與承載力突變現(xiàn)象，這樣也限制了結(jié)構(gòu)在部分樓層或者是特定樓層產(chǎn)生敏感薄弱的部位。平面布置建筑結(jié)構(gòu)過程中，盡可能保證抗側(cè)力的構(gòu)建均勻?qū)ΨQ布置，唯有如此才不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心存在偏離，進(jìn)而規(guī)避地震過程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)附加的破壞。

曾經(jīng)發(fā)生于南美洲的馬那瓜的地震，兩棟相鄰的高層建筑震害的差異性主要是因?yàn)榭箓?cè)力沒有對(duì)稱的分布而導(dǎo)致附加震害典型的案例，而十五層中央銀行則是由于沒有對(duì)稱分布抗側(cè)力的構(gòu)件而出現(xiàn)倒塌，其中使用外框內(nèi)筒對(duì)稱結(jié)構(gòu)的十八層美洲銀行則只有輕微的破壞。此外日本阪神的地震過程中，因?yàn)闆]有對(duì)稱布置的填充墻或者是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不對(duì)稱布置而導(dǎo)致附加結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞，且在臨街的建筑震害中比較嚴(yán)重，臨街建筑特點(diǎn)一般是沿街設(shè)置櫥窗，其背面是實(shí)體墻，因此房屋縱向質(zhì)量中心和剛度中心具有很大的偏離，這種使得建筑物在地震中容易倒塌。

4　結(jié)語

總而言之，設(shè)計(jì)高層建筑的結(jié)構(gòu)過程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要充分運(yùn)用與掌握概念設(shè)計(jì)，把高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)貫徹落實(shí)到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中既要充分考慮各種因素，又要全方面把握設(shè)計(jì)大原則。只有這樣才可以確保設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性，進(jìn)而給社會(huì)創(chuàng)造高標(biāo)準(zhǔn)的工程。

[1]華穎.抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013，23（06）：27～28.

[2]張念華.抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2014，34（02）：78～79.

TU973+.31

A

1673-0038（2015）30-0045-02

2015-6-20

馮嘯虎（1980-），男，工程師，本科，畢業(yè)于廣西大學(xué)，土木工程專業(yè)，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

廖建英（1979-），女，工程師，本科，畢業(yè)于重慶大學(xué)，土木工程專業(yè)，主要從事質(zhì)量體系管理方面的工作。