住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳詩開

摘要：目前高層建筑的建設(shè)數(shù)量越來越多，為了保證人們的生命安全，優(yōu)化高層建筑的抗震設(shè)計(jì)尤為重要，因此本文探討了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)；優(yōu)化

前言

在地震出現(xiàn)時，高層建筑物會受到很大的破壞，帶來的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡特別大，因此做好建筑抗震設(shè)計(jì)具有特別重要的意義，唯有如此，才能夠提升高層建筑的抗震能力。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則

1.1 層間位移限制方面

在建筑結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間需參考下建筑結(jié)構(gòu)材料、位移的約束、結(jié)構(gòu)體系、側(cè)向荷載和高比寬等問題。對于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在一定程度上要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值，還要對建筑的所處位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其穩(wěn)定性及功能的穩(wěn)定使用等。建筑在地震或者是風(fēng)力之層間常常會產(chǎn)生很大位移，對于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要滿足其剛度，還要防止超過其承載力。

1.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性方面

對于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需先弄清楚建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，在此基礎(chǔ)之上，優(yōu)化建筑平面和建筑物的應(yīng)用性能，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季?，對于高層建筑而言，?wù)必要保證其具有足夠的剛度，從而減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的影響，對于建筑物來說需確保其平面均勻?qū)ΨQ，建筑物的柱網(wǎng)剪力墻務(wù)必要科學(xué)布置。因?yàn)榇祟惤ㄖY(jié)構(gòu)可以很容易出現(xiàn)建筑物多地震的反應(yīng)，對于建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需對建筑進(jìn)行適當(dāng)布置，如此一來對于減小豎向構(gòu)件間的差異形變和結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響具有非常大的作用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問題

2.1 材料的選取問題

這幾年，國內(nèi)地震出現(xiàn)的次數(shù)特別多，因此在對地震頻發(fā)區(qū)域進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時，務(wù)必保證其結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)性性，另外還需適當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)材料。然而由于施工、經(jīng)濟(jì)等因素，輕質(zhì)高強(qiáng)材料并未適當(dāng)?shù)牟捎谩?/p>

2.2 地基的選取問題

不同的地基類型對地震力的傳遞有不一樣的特點(diǎn)，高層建筑因?yàn)榇怪备叨容^高，自身重量較大，因此在選址時，對于土質(zhì)的硬度、密實(shí)度與對地形的開闊和平坦性具有很高的要求，而且需遠(yuǎn)離河岸，防止抗震危險性路段，如此一來才可以保證高層建筑的基礎(chǔ)具有較好的抗震性能，可以在地震力作用下具有非常好的承受能力。然而目前因?yàn)閲鴥?nèi)城市發(fā)展速度的加快，城市人口日益增加，很大一部分房地產(chǎn)開發(fā)商在進(jìn)行高層建筑選址時均會更多的對其商業(yè)利益與商業(yè)開發(fā)空間進(jìn)行考慮，這就造成高層建筑地基在選取上具有特別多的適宜性與不科學(xué)性，進(jìn)而使其抗震性能降低，在地震發(fā)生時高層建筑的基礎(chǔ)破壞更加嚴(yán)重。

2.3 平面及豎向規(guī)則問題

由于經(jīng)濟(jì)水平的提升和大家對流動的藝術(shù)的追求，建筑師創(chuàng)作的平面與立面日益復(fù)雜。進(jìn)而平面與立面規(guī)則性超限的狀況日益普遍。這就促使建筑的抗震性能有很大的削弱。

2.4 抗震設(shè)防烈度問題

由于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度還不夠高，現(xiàn)在國內(nèi)的建筑的抗震設(shè)防烈度不高，中震和規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率大約為10%的地震烈度相似，較低的抗震設(shè)防烈度減小了高層建筑的抗震需求。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 合理選擇建筑材料

在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時，材料的選擇十分重要。對于即將選擇的材料，要科學(xué)的分析其材料的抗震性能，對材料的參數(shù)變異性進(jìn)行整體研究，保證最終材料的選擇的合理性。同時，還需要對材料的承載能力進(jìn)行充分的考慮，保證材料抗震分析的全面性。從抵抗地震的要求來看，建筑結(jié)構(gòu)還需要具備一定的延性，為了充分的滿足需求，在選擇建筑材料時，就需要充分地考慮建筑施工的各個方面的實(shí)際情況，選擇最為科學(xué)合理的建筑材料，提升高層建筑抗震能力的同時，保證材料選擇的科學(xué)性及經(jīng)濟(jì)性。

3.2 合理選擇抗震場地

由于地質(zhì)條件的不同，地震對建筑設(shè)施的破壞具有很大的差異。在施工前要勘察好地基狀況，保證建筑場地有助于建筑設(shè)施的抗震，應(yīng)盡量不在抗震不利地段建設(shè)建筑構(gòu)，在不能避開時，需采用恰當(dāng)?shù)拇胧┨嵘拐鹦阅?。根?jù)建筑場地地基地質(zhì)特征與受地震破壞作用的強(qiáng)弱來進(jìn)行分類，依據(jù)建筑場地實(shí)際狀況適當(dāng)采取抗震措施，比方說依據(jù)地基地質(zhì)抗震設(shè)防種類、地基液化等級等實(shí)際狀況科學(xué)采用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)形式。

3.3 降低地震能量的輸入

建筑物吸收的地震能量越少時，建筑物的抗震能力就越高，基于此，在進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)時，應(yīng)該采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，利用定量分析的方法分析具體的方案，在預(yù)期地震作用力下，高層建筑的變形彈性能夠滿足變形需求，從而具備較高的抗震能力。高層建筑中，包含的構(gòu)件數(shù)量比較多，需要驗(yàn)收其承載能力，同時，在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的層間位移限值還需要進(jìn)行有效地控制；建筑構(gòu)件在使用的過程中會發(fā)生一定的變形，而且建筑結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的位移，對于變形與位移之間的關(guān)系，能夠比較好的計(jì)算出來，從而將構(gòu)建的變形值確定出來；建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求需要進(jìn)行有效確定，確定依據(jù)為建筑界面的應(yīng)變分布和大小。此外，高層建筑在選擇建筑地址時，堅(jiān)固場地在地震發(fā)生時能量輸入比較少，從而提高建筑物的抗震能力，減少地震對建筑物的破壞，保護(hù)人們的生命安全，因此要對高層建筑的選址十分重視。

3.4 合理選用結(jié)構(gòu)體系

體系問題為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要把握的關(guān)鍵問題。需注意體系的科學(xué)性問題，優(yōu)先使用抗震性能高、延性優(yōu)、耗能性能強(qiáng)、有利于施工的具有多道防線的體系。防止選用抗震性能特別低的板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、特別是單跨框架結(jié)構(gòu)等。

3.5 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

近年來，隨著高層建筑的增多，人們越來越重視建筑物的抗震設(shè)計(jì)，尤其是地震頻發(fā)的地區(qū)，建筑物的抗震能力更是受到重視。當(dāng)建筑物的高度超過150m時，結(jié)構(gòu)體系主要有三種，分別為框-筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)和框架-支撐結(jié)構(gòu)。隨著我國鋼材生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的制造能力越來越強(qiáng)，在條件允許的情況下，建筑物的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能的采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，這樣一來，柱斷面的尺寸比較小，建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力可以有效地提升。在我國傳統(tǒng)文化中，“以柔克剛”的思想受到廣泛的重視，很多實(shí)際問題都可以利用這一思想解決，在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，同樣可以利用這種思想，將剛與柔相結(jié)合，由傳統(tǒng)的硬性抗震變?yōu)楝F(xiàn)在的柔性抗震，降低地震對建筑物的沖擊作用，提升建筑物的抗震能力，最大限度的降低地震對建筑物的破壞程度。

3.6 高延性設(shè)計(jì)的應(yīng)用

目前，延性結(jié)構(gòu)為我國高層建筑抗震設(shè)計(jì)的主要方法，所謂延性結(jié)構(gòu)，是指在適當(dāng)?shù)目罩ㄖY(jié)構(gòu)的剛度，地震時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件較大的延性塑性狀態(tài)是允許出現(xiàn)的，這樣一來，地震作用時的能量就能夠比較好的被消耗，降低地震反應(yīng)，減少建筑物受到的地震作用危害，降低損失程度。實(shí)際上，當(dāng)高層建筑的延性比較高時，即使承載能力比較小，那么在發(fā)生地震時，建筑物倒塌的可能性也比較小，主要原因是延性構(gòu)件在地震發(fā)生時，吸收了大部分的地震作用能量，結(jié)構(gòu)變形比較大時，依然能夠承受，提升建筑物的抗震能力。通過高延性設(shè)計(jì)，減輕地震反應(yīng)，增強(qiáng)建筑物抵抗地震的能力，減少建筑物倒塌發(fā)生率，保證人們的安全。除了高延性設(shè)計(jì)之外，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時，還應(yīng)用了消震及隔震措施，比如阻尼，通過阻尼器的應(yīng)用，有效地吸收地震能量，減輕地震反應(yīng)，降低地震對建筑物的破壞，提升建筑物的抗震能力。

3.7 增加抗震防線建設(shè)

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中包含防線建設(shè)，為了達(dá)到提升抗震能力的目的，可以增多抗震防線的建設(shè)。這樣一來，在發(fā)生地震時，即使第一道防線被破壞，第二道、第三道，甚至是更多道的防線均會起到阻擋地震作用力的目的，減低建筑物倒塌發(fā)生率。通常來說，多個肢節(jié)和壁式框架的框架剪力墻結(jié)構(gòu)是比較有效的防震結(jié)構(gòu)之一?？蚣芗袅χ邪嗟揽拐鸱谰€，第一道抗震防線為剪力墻，這是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，當(dāng)剪力墻的數(shù)量比較多時，其所具備的承載能力也會相應(yīng)的提升。同時，在地震的作用下，剪力墻開裂之后，任一層框架部分的框架和墻會協(xié)同一起分散地震剪力，降低地震作用對建筑物的傷害。此外，框架剪力墻中的剪力墻也可以進(jìn)行連梁的設(shè)置，通過連梁的防線作用，改善建筑物的抗震能力。

4 結(jié)語

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)是十分重要的一個方面。我國抗震設(shè)計(jì)水平在不斷提高，但是還是存在一些問題的，因此需要對建筑結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地提升建筑物的抗震能力，保證人們的生命安全。