高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施探討

■趙永宇

（濰坊市地震局山東濰坊261061）

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施探討

■趙永宇

（濰坊市地震局山東濰坊261061）

汶川地震這場(chǎng)巨大災(zāi)難引發(fā)的嚴(yán)重傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引發(fā)了高層建筑抗震設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)問(wèn)題，高層抗震設(shè)計(jì)受到了世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注本文探索性的提出具體的抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化策略和方法，憧憬新型材料的開(kāi)發(fā)和廣泛的應(yīng)用。

高層建筑結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計(jì) 優(yōu)化措施

1　高層建筑抗震設(shè)計(jì)的必要性

20世紀(jì)70年代以來(lái)，高層建筑結(jié)構(gòu)工程師在總結(jié)歷次地震災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)中逐漸認(rèn)識(shí)到概念設(shè)計(jì)的重要性?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)就是運(yùn)用人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)或理論證實(shí)過(guò)的理念去解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的諸如房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等問(wèn)題，從宏觀上進(jìn)行鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造模型，從而減輕建筑物抗震性能差的缺點(diǎn)，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。概念設(shè)計(jì)要求工程師擁有明銳的思維和快速的決策能力，分析大量地震災(zāi)害造成損失的原因，得出的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震經(jīng)驗(yàn)理論，從客觀上確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題。因此，工程師必須了解高層建筑結(jié)構(gòu)受地震影響的特點(diǎn)，振動(dòng)中結(jié)構(gòu)的受力特征，用正確的理念來(lái)指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)，才會(huì)獲得成功。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化策略

在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，從概念設(shè)計(jì)、抗震驗(yàn)算及構(gòu)造措施等三方面入手，在抗震過(guò)程中以預(yù)防為主，建立設(shè)計(jì)高層建筑地震力與結(jié)構(gòu)延性相互影響的雙重設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法，使得高層建筑在地震中有良好的抗震性能?？拐鹪O(shè)計(jì)的延性要求也是高層建筑設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，抗震設(shè)計(jì)的延性要求是指一個(gè)建筑物超出彈性極限后，還保有塑性承載力使房屋可隨著地震搖晃而又沒(méi)有整體方面的破壞。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高層建筑既要有一定的局部屈服度又要有整體結(jié)構(gòu)的整體性能。

2.1城市高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法

2.1.1選擇合理的結(jié)構(gòu)體系?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系是由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由他們之間的連接物構(gòu)成一個(gè)整體協(xié)同工作。所以選擇結(jié)構(gòu)合理，協(xié)同程度高的分體系是高層建筑結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的第一步。

2.1.2減小地震能量的輸入和設(shè)置消能減震構(gòu)件。強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致整體倒塌。主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免小震震不停，大震整體倒塌的悲劇。

2.1.3控制地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并且對(duì)層間位移加以限制。建筑的質(zhì)量和剛度變化要均勻，才能在水平地震中發(fā)生扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，避免設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)質(zhì)量和剛度分布不連續(xù)情況的發(fā)生。

2.1.4適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系。同一樓層內(nèi)使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，可以使有效屈服保持一段時(shí)間，保證高層建筑工作人員有時(shí)間維護(hù)和修葺，增加結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。在抗震設(shè)計(jì)中高層建筑中，若某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng)，可能造成其他結(jié)構(gòu)薄弱，因此在設(shè)計(jì)以強(qiáng)代小這樣的結(jié)構(gòu)時(shí)或改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋時(shí)，需要在專(zhuān)業(yè)人員指導(dǎo)下進(jìn)行操作。

2.1.5保證樓蓋的整體性。每層樓蓋都會(huì)起到充當(dāng)水平隔板的作用，所以我國(guó)抗震規(guī)范建議鋼結(jié)構(gòu)的樓蓋宜采用壓型鋼板現(xiàn)場(chǎng)澆筑鋼筋凝土組合樓板，或者采用非組合樓板構(gòu)建高層建筑物，對(duì)超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可設(shè)置水平支撐。

2.2高層建筑抗震結(jié)構(gòu)中抗側(cè)力體系的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于高層建筑樓來(lái)說(shuō)，剛性比柔性好，采用剛性結(jié)構(gòu)方案的高層建筑樓，在有地震災(zāi)害時(shí)，不僅主體結(jié)構(gòu)破壞輕，而且由于地震時(shí)的結(jié)構(gòu)變形小，隔墻、圍護(hù)墻等非結(jié)構(gòu)部件將得到保護(hù)，破壞也會(huì)減輕。提高高層建筑結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，在地震災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，能夠出現(xiàn)的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結(jié)構(gòu)就愈能經(jīng)受住較強(qiáng)地震而不倒塌，可以有效增加高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，有效抵制地震災(zāi)害帶來(lái)的損失。

2.3我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)體系

我國(guó)高層建筑中常采用的結(jié)構(gòu)體系有:框架、框架～剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系，雖然這也是其他國(guó)家高層建筑采用的主要體系，但國(guó)外，地震頻發(fā)地區(qū)，是以剛結(jié)構(gòu)為主，而在我國(guó)不論是否地震頻發(fā)區(qū)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都占主導(dǎo)地位。鋼結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)越的強(qiáng)度、韌性和延性，強(qiáng)度重量比，總體抗震性能比混凝土結(jié)構(gòu)好，抗震能力強(qiáng)，但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性并不是鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的疊加，反而會(huì)減弱鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。震害調(diào)查表明，鋼結(jié)構(gòu)較少出現(xiàn)倒塌、大面積損壞情況，而在高層建筑中采用框架～核心筒體系，因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少，又減少了柱子斷面，故常被業(yè)主所看中。

3　新型高性能材料的選取

目前，材料的選用在地震多發(fā)區(qū)得到了人們的重視?，F(xiàn)在我國(guó)鋼材產(chǎn)量已居世界前列，建筑鋼材的類(lèi)型及品種也在逐漸增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高，混凝土材料也有重大發(fā)現(xiàn)，混凝土的性能也有很大提高。因此在有條件的地方，建議盡可能采用以新型混凝土和高強(qiáng)度鋼筋為中心，搭建高層建筑物骨架；采用以鋼管為骨架的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；或者可以搭建鋼結(jié)構(gòu)高層建筑而使用混凝土。改善的重點(diǎn)是減小柱斷面尺寸，并改善高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，為減小風(fēng)振需要采用混凝土材料，鋼筋混凝土材料才會(huì)作為首選。工程經(jīng)驗(yàn)表明:利用鋼管混凝土承重高層建筑物的自重可減輕至65%，柱截面會(huì)減小，實(shí)際使用面積會(huì)增加；鋼材總體消耗與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大體相同，但是與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相節(jié)約15%工程造價(jià)，減少等待混凝土凝固的時(shí)間，工程施工工期可縮短1/2。

4　結(jié)束語(yǔ)

高層抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，隨著高層建筑水平技術(shù)全方位趨于成熟時(shí)，其抗震設(shè)計(jì)技術(shù)水平必然不斷提高，高層建筑設(shè)計(jì)方案也會(huì)越來(lái)趨于科學(xué)化和合理化，再加上各種新型材料不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在高層建筑中，高層建筑的抗震性能必然有一定的保證性，有效提高高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。

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[2]劉宏欣，施從偉，蔡茲紅.某高層鋼～混凝土混合結(jié)構(gòu)抗震性能分析 [C]//第二屆全國(guó)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)論文集2009:34～40

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TU973+.31[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～421～1