住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)1

張明輝　梁健

摘要：隨著高層建筑的迅速發(fā)展，建筑高度不斷增加，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)變得尤為重要，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)完整、系統(tǒng)的概念，本文對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注重的幾大問題進(jìn)行詳細(xì)的分析和探討，并對如何提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力提出了自己的幾點(diǎn)看法，希望為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

地震的發(fā)生是難以預(yù)測的，也不能對其進(jìn)行精確計(jì)算。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，建筑物承受巨大的水平作用力，一旦建筑物的抗震設(shè)計(jì)不到位，建筑將會在地震的作用力下出現(xiàn)裂縫構(gòu)件損壞局部坍塌等，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整樓倒塌，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。近年來，幾次重特大地震導(dǎo)致的建筑物倒塌引發(fā)的災(zāi)害令人觸目驚心，做好建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員責(zé)無旁貸。

1 地震影響下高層住宅建筑結(jié)構(gòu)破壞的特點(diǎn)

1.1 地基

部分場地具有較厚的軟弱沖擊土層，此時(shí)高層建筑地基破壞率明顯增高。由于地基土液化造成地基出現(xiàn)不均勻沉降，最終導(dǎo)致建筑上部結(jié)構(gòu)損害甚至整體傾斜。高層建筑位置若處于不利或危險(xiǎn)地段，會由于地基破壞而導(dǎo)致房屋整體結(jié)構(gòu)破壞。一旦建筑結(jié)構(gòu)基本周期和場地的自振周期趨于相同，則會由于共振效應(yīng)導(dǎo)致破壞程度加重。

1.2 結(jié)構(gòu)體系

高層建筑一般采用框架或框架一抗震墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架的結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端部位容易產(chǎn)生剪切破壞，在窗洞位置的外墻框架柱由于受到窗下墻體的約束容易產(chǎn)生短柱型剪切破壞。若高層建筑采用抗震墻結(jié)構(gòu)，其破壞的程度較輕；若采用底框結(jié)構(gòu)，其剛度柔弱的底層則會受到嚴(yán)重的破壞；若采用框架結(jié)構(gòu)，建筑底層若為敞開式的框架間，且未砌磚墻，其底層也會受到嚴(yán)重破壞；若采用鋼筋混凝土柱、板的結(jié)構(gòu)體系，由于樓板的沖切或由于樓層發(fā)生較大側(cè)移，導(dǎo)致柱腳破壞，各層的樓板會發(fā)生墜落甚至重疊在地面上。

1.3 剛度分布

若建筑物結(jié)構(gòu)以矩形平面布置，電梯井等抗側(cè)力構(gòu)件在布置過程中一旦存在偏心，則會由于扭轉(zhuǎn)振動導(dǎo)致地震災(zāi)害加重；若采用L形、三角形等不對稱的平面建筑結(jié)構(gòu)，也會由于地震影響產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動最終導(dǎo)致災(zāi)害加重。

1.4 構(gòu)件形式

在框架建筑結(jié)構(gòu)中，相比于梁、板，柱的破壞程度更大；鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中，窗下墻通常會產(chǎn)生交叉/斜向裂縫；若混凝土柱中配置螺旋箍筋，一旦層間的位移角數(shù)值較大，核心的混凝土依然完好，鋼筋柱抵抗能力較強(qiáng)，但若在同一樓層存在長短柱并用的情況，則會導(dǎo)致短柱受到相對嚴(yán)重的破壞。

1.5 房屋體形

若建筑的平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則，如T形、L形、Y形等，其在地震影響下的破壞率較高。若高層建筑底盤加大，裙房頂面和主樓相接位置的面積突然減小的樓層，由于相鄰的樓層間產(chǎn)生較大的質(zhì)量突變，往往會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的破壞。若高層建筑的防震縫寬度設(shè)置較小，則會導(dǎo)致建筑物之間產(chǎn)生碰撞破壞；樓層平面形心和重心的偏移距離越大，震害導(dǎo)致的破壞越嚴(yán)重。

2 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)遵循的基本原則

所有高層建筑基本上都是支撐在地面上的豎向懸臂結(jié)構(gòu)。當(dāng)合理地使用下述原則時(shí)，由墻、核心筒、框架、筒式結(jié)構(gòu)和其它豎向結(jié)構(gòu)分體系，可以得到所希望的結(jié)構(gòu)方案，既能達(dá)到良好的抗震性能，同時(shí)又不需要增加成本。

（1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分體系應(yīng)使其構(gòu)件以最有效的方式相互作用。例如：在墻的關(guān)鍵部位配置鋼筋；使框架的剛度比達(dá)到最優(yōu)；弦桿和斜桿的桁架體系。

（2）增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，這是非常有效的。因?yàn)樵黾訉挾瓤梢灾苯訙p小傾覆力，在其它條件不變時(shí)，側(cè)移按寬度增加的三次方的比例減小。

（3）使大部分豎向荷載直接由主要抗彎構(gòu)件承受。這將使主要的抗傾覆構(gòu)件受到預(yù)壓而有助于傾覆拉力作用下的房屋穩(wěn)定。

（4）增大承受荷載最有效構(gòu)件的截面。例如：加大較低樓層柱子的連接大梁的翼緣截面，就能夠直接減小側(cè)向位移和增加抵抗力矩，而不會增大上層樓面的質(zhì)量。否則就更不利于抗震。

（5）在豎向結(jié)構(gòu)分體系中，合理布置實(shí)心墻或斜撐構(gòu)件，可以有效地抵抗每層樓的局部剪力。這樣不僅起到抗震效果且可降低建造成本。

（6）將大型豎向和水平構(gòu)件連接成巨形框架。

（7）每層樓蓋都應(yīng)起到水平隔板作用。這可以讓各抵抗外力的構(gòu)件共同工作，而不是單獨(dú)工作。

3 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

3.1 盡量減少地震發(fā)生過程中的能量輸入

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，需要采用以位移為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)抗震方法，定量分析實(shí)際設(shè)計(jì)方案，確保結(jié)構(gòu)的變形彈性能夠滿足預(yù)期的地震作用力變形要求。在進(jìn)行建筑構(gòu)件承載力驗(yàn)收的過程中，需要對建筑結(jié)構(gòu)地震作用下的層間位移限值，同時(shí)按照建筑物構(gòu)件變形以及結(jié)構(gòu)位移的實(shí)際關(guān)系，對構(gòu)件變形值進(jìn)行確定。按照建筑物界面應(yīng)變的分布規(guī)律和大小，確定建筑物構(gòu)件的構(gòu)造需求。針對高層建筑而言，需選擇堅(jiān)固場地進(jìn)行施工，從而能夠有效的減小地震發(fā)生時(shí)的能力輸入，適當(dāng)減小地震的破壞。

3.2 采取高延性的設(shè)計(jì)，運(yùn)用消震、隔震措施

在大部分高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，一般采用延性結(jié)構(gòu)，從而對建筑物的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行一定的控制，保證在地震時(shí)建筑物構(gòu)件能夠具有較大延性呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，以消耗地震產(chǎn)生的能力，降低地震造成的高層建筑結(jié)構(gòu)破壞。若高層建筑承載能力小，但延性較高，其在地震中則不易發(fā)生倒塌。原因在于延性構(gòu)件能夠吸收能量，有效的避免建筑結(jié)構(gòu)變形，可見延性結(jié)構(gòu)能夠有效的減小地震反應(yīng)。21世紀(jì)以來，人們對建筑物抗震能力越發(fā)重視，并對其進(jìn)行一定的研究并取得了相應(yīng)的效果，例如：近年來阻尼器在我國高層建筑抗震設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。借助阻尼器的使用以減少震動，能夠巧妙的減弱地震能量對高層建筑物的破壞。

3.3 做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于高層建筑的設(shè)計(jì)人員而言，需要尤其重視其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在我國，超過150m的建筑物，一般采用3種結(jié)構(gòu)體系，分別是框一筒、筒中筒以及框架一支撐體系，且這三種體系在其他國家中也應(yīng)用廣泛。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過程中，可將傳統(tǒng)硬性為主的抗震模式逐漸還變?yōu)橐匀嵝詾橹鞯目拐鸾Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)岵?jì)的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保地震作用時(shí)釋放出的沖擊力得以減弱。

3.4 做好建筑選材工作

我國的鋼材生產(chǎn)行業(yè)規(guī)模較大，鋼結(jié)構(gòu)加工制造的能力也居世界前列，所以在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過程中可以盡量采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土柱或鋼結(jié)構(gòu)等，從而縮小柱斷面的尺寸，保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能得以改善。在高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，必須做好建筑材料的選擇工作。首先，要分析建筑材料的各項(xiàng)參數(shù)，尤其是其抗震性能，不可只考慮材料的承載力忽略材料其他的參數(shù)。對于抗震設(shè)計(jì)，需要保證建筑材料符合結(jié)構(gòu)的延性需求。

3.5 增加抗震防線

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可設(shè)置多條抗震防線，從而增強(qiáng)建筑工程對于地震的抵抗力。通過設(shè)置多層抗震防線，即便第一道防線受到了地震的破壞，高層建筑結(jié)構(gòu)中仍然具有第二道、第三道甚至更多的防線以抵抗地震的作用力，從而防止高層建筑物發(fā)生倒塌。在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)的過程中，可選用具備多肢節(jié)或壁式框架的剪力墻結(jié)構(gòu)以達(dá)到防震目的?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)屬于十分典型的多道防線抗震結(jié)構(gòu)，剪力墻是其第一道防線，屬于結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，因此需要設(shè)置足夠多剪力墻結(jié)構(gòu)以確保建筑的整體承受能力。

3.6 采取加固設(shè)計(jì)

要想保證高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的能力得以有效的提升，需要按照建筑結(jié)構(gòu)的具體情況進(jìn)行一定的加固處理，在進(jìn)行加固處理的過程中需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷的結(jié)構(gòu)，要根據(jù)具體情況增加加固構(gòu)件，還可采用具備高抗震性能的構(gòu)件以代替原有的構(gòu)件。（2）要想提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，則可增設(shè)構(gòu)件或擴(kuò)大原截面，采取設(shè)置套箍的方式以做好加固工作。（3）許多建筑結(jié)構(gòu)整體性并不能達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，可通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的調(diào)整以分散地震的作用力，適當(dāng)?shù)臏p少結(jié)構(gòu)破壞。對于高層建筑中那些和建筑結(jié)構(gòu)不相關(guān)的構(gòu)件，可能會由于地震倒塌導(dǎo)致危害，因此需要對其進(jìn)行適當(dāng)加固。

3.7 對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行控制

對于高層建筑的整體抗震能力而言，其結(jié)構(gòu)變形對抗震能力有著直接影響。若發(fā)生地震時(shí)，建筑物在水平震動作用力下發(fā)生側(cè)移，導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)被破壞。所以，需要做好建筑結(jié)構(gòu)類型的考察工作，繼而針對性的采取加固措施以盡可能減少建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的變形。經(jīng)過實(shí)踐證明，對高層建筑損壞程度評估時(shí)，間層側(cè)移的角度是十分重要的指標(biāo)，因此國家對其具有明確規(guī)定。要采取一定的措施以控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，一般可通過減小框架的柱距和梁距、采用彎一剪雙重抗側(cè)力體系、設(shè)置剛臂、豎向支撐的交錯(cuò)布置、變平面構(gòu)件為立體構(gòu)件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與抗震、利用傾斜立面，扭轉(zhuǎn)體型、采用雙曲線圓筒以及加大房屋的有效寬度等方法以控制側(cè)移。

4 結(jié)語

綜上所述，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，針對建筑物的具體情況做好抗震設(shè)計(jì)，分析地基承載力等參數(shù)，做好建筑結(jié)構(gòu)材料的選材工作，并做好加固設(shè)計(jì)，以保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)符合要求，確保建筑結(jié)構(gòu)不會輕易受到地震災(zāi)害的破壞。