高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

摘要：近年來(lái)我國(guó)地震頻頻發(fā)生，建筑業(yè)對(duì)房屋抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題已引起了重視。根據(jù)我國(guó)抗震的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求高層混凝土建筑必須進(jìn)行合理設(shè)計(jì)施工，實(shí)現(xiàn)“大震不倒，小震不壞”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。文章講述了高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，分析了高層建筑遭遇地震時(shí)的破壞特點(diǎn)，提出了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：高層混凝土建筑；建筑結(jié)構(gòu)；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑業(yè)；地基破壞；結(jié)構(gòu)體系破壞 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TU97 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.052

長(zhǎng)期以來(lái)，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。主要因高層建筑人口相對(duì)密集，若高層混凝土建筑抗震性能較低，在發(fā)生地震災(zāi)害的情況下極易發(fā)生坍塌，從而造成不堪設(shè)想的后果。因此，在高層混凝土建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須對(duì)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起足夠重視，才能保障高層建筑居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑主要是指建筑物自身高度達(dá)到28m以上或者建筑物層數(shù)達(dá)到10層以上。從專(zhuān)業(yè)角度來(lái)講，高層建筑為豎向懸臂結(jié)構(gòu)，在垂直荷載與水平荷截的影響下，建筑的混凝土結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生彎矩及強(qiáng)大的軸向力。從建筑受力特性角度來(lái)看，隨著建筑物的高度增加，若垂直荷載方向不變則不會(huì)增加建筑的引起量，進(jìn)而也不會(huì)對(duì)建筑水平荷載產(chǎn)生任何影響，若建筑的載荷均勻分布時(shí)，建筑物的高度與彎矩是呈二次方變化的。而從側(cè)移性角度來(lái)講，建筑物的豎向荷載不會(huì)引發(fā)明顯側(cè)移，當(dāng)建筑物的水平荷載呈均勻分布時(shí)，建筑物的高度與側(cè)移大小是呈四次方變化的?？梢?jiàn)水平荷載是影響高層結(jié)構(gòu)的重要因素，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

通常在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求提升高層混凝土建筑的抗震效果，確保在遇到較強(qiáng)地震時(shí)建筑物不發(fā)生傾倒或通過(guò)維護(hù)檢修后可繼續(xù)使用，遇到輕微地震時(shí)不會(huì)損傷整體結(jié)構(gòu)并能保持穩(wěn)固。

因此，就對(duì)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)各方面因素進(jìn)行綜合考慮，做到剛?cè)崤浜?，使高層混凝土建筑能夠科學(xué)合理受力，同時(shí)進(jìn)行有針對(duì)性的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則使高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。一方面，在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把握好剛度值，通過(guò)對(duì)剛度值精準(zhǔn)的分析和計(jì)算，全面了解實(shí)地情況、質(zhì)地組成、機(jī)械設(shè)備參數(shù)等，以計(jì)算高層結(jié)構(gòu)整體剛度，有利于提高抗震效果；另一方面，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)核心構(gòu)件及連接點(diǎn)的受力情況引起重視，采取有效的處理措施對(duì)其進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，以達(dá)到防災(zāi)減震的目的，盡可能減少地震所帶來(lái)的損失。同時(shí)，在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為確保其剛度和強(qiáng)度適宜，應(yīng)進(jìn)一步改善其結(jié)構(gòu)的延展性，從而保障高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的抗震

效果。

3 高層建筑地震時(shí)破壞特征分析

3.1 地基破壞特征

如果建筑的地基正處于軟土層區(qū)域，因土體液化易引起基礎(chǔ)沉降，而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，如建筑傾斜等現(xiàn)象。對(duì)于少數(shù)修筑在危險(xiǎn)地段的建筑而言，若該區(qū)域發(fā)生地震則可導(dǎo)致建筑出現(xiàn)不均勻沉降或者建筑墻體裂縫。除此之外，如果高層建筑所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地周期一致，則發(fā)生地震時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)共振效應(yīng)，從而嚴(yán)重破壞建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

3.2 結(jié)構(gòu)體系破壞特征

對(duì)于部分高層建筑采用的鋼框架填墻結(jié)構(gòu)，若該地區(qū)發(fā)生地震災(zāi)害，則比較容易導(dǎo)致建筑平面內(nèi)框架柱出現(xiàn)剪切型損壞，且在建筑窗下墻作用下導(dǎo)致其部分窗洞出現(xiàn)短柱性損壞。長(zhǎng)期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般性地震不會(huì)對(duì)建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)帶來(lái)太大的影響。而底框結(jié)構(gòu)剛度較低，在發(fā)生地震時(shí)結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，因框架填墻結(jié)構(gòu)中敞開(kāi)式的底層框架，未砌墻時(shí)剛度較低，因此會(huì)嚴(yán)重破壞到其底層。

3.3 剛度破壞特點(diǎn)

若建筑主體結(jié)構(gòu)采用不對(duì)稱(chēng)的平面形狀，如L形、Y形等，在發(fā)生地震時(shí)易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而加重地震破壞程度，因此建筑平面形狀宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)、簡(jiǎn)單，同時(shí)平面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于不規(guī)則的平面布置不宜采用。若建筑平立面不規(guī)則、體型復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)地基基礎(chǔ)條件、不規(guī)則程度及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行綜合性分析比較，有利于確定是否設(shè)置防震縫。

3.4 構(gòu)件的破壞特點(diǎn)

若建筑采用的是框架剪力墻結(jié)構(gòu)，一般框架柱對(duì)地震的抵抗力較強(qiáng)，主要因框架柱設(shè)置了螺旋箍筋，因此層間位移角較大，而剪力墻的窗臺(tái)下部位置易發(fā)生交叉性裂縫。

4 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

4.1 科學(xué)選定建設(shè)位置

科學(xué)選定高層混凝土建筑的建設(shè)位置至關(guān)重要，關(guān)系著高層混凝土建筑的抗震性能，故應(yīng)對(duì)項(xiàng)目區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行綜合性分析，科學(xué)合理地選擇高層混凝土建筑的建設(shè)位置，一般高層混凝土建筑不宜選擇在山坡和丘陵，主要因這些區(qū)域的抗震能力不強(qiáng)，對(duì)建筑的抗震設(shè)計(jì)十分不利。同時(shí)應(yīng)避免建設(shè)在距離變電站、電廠較近的區(qū)域，以避免建筑因周邊環(huán)境而受到影響。

4.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的建筑工程抗震的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主體結(jié)構(gòu)要能抵御空間的變形，且在結(jié)構(gòu)延伸變化時(shí)可恢復(fù)，有利于確保高層混凝土建筑的穩(wěn)定性，避免高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)變形時(shí)產(chǎn)生形變。在評(píng)價(jià)高層混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下所受到的影響時(shí)，應(yīng)對(duì)各結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行綜合考慮，并進(jìn)行科學(xué)合理分析，使高層混凝土各部分的受力情況得到有效控制，從而提升建筑的抗震性能。同時(shí)對(duì)于高層混凝土的豎向結(jié)構(gòu)受力應(yīng)引起重視，使高層混凝土建筑符合剛度設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，有利于保障受力平衡，從而提高高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.3 抗震加固設(shè)計(jì)

一般情況下，在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)明確建筑抗震級(jí)別，因此在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)除了滿足必要的剛度、延性要求，更重要的是要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)剛度。由于高層建筑自身的鋼筋混凝土重量比較大，整個(gè)建筑的高度必須與底層柱軸力呈正比關(guān)系，這對(duì)建筑主要構(gòu)件的延性要求就相對(duì)較高，在已確定成高的情況下，增強(qiáng)構(gòu)件的延性主要通過(guò)調(diào)整軸壓比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但軸壓比不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)短柱，使延性受到限制，若遭遇強(qiáng)烈的地震，易破壞剪切性，因此必須進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)，以防止建筑整體倒塌。

4.3.1 使用螺旋復(fù)合箍筋。一般框架柱的抗剪能力應(yīng)符合強(qiáng)剪弱彎和剪壓比，根據(jù)強(qiáng)柱弱梁限值的標(biāo)準(zhǔn)，柱子端部的抗彎能力必須滿足這一條件，而在強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)柱弱梁時(shí)，短柱不會(huì)破壞剪切性，螺旋復(fù)合箍筋的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可使柱子的抗沖剪能力和短柱抗震性能得到有效提高。

4.3.2 選用分體柱。由于建筑的短柱所具備的抗剪性能低于抗彎性能，因此當(dāng)出現(xiàn)地震時(shí)建筑的短柱尚未發(fā)揮抗彎性能時(shí)便出現(xiàn)明顯的剪性破壞，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)確保短柱滿足抗彎的屈服強(qiáng)度。基于此，筆者認(rèn)為可沿著短柱體豎向設(shè)縫，且將短柱劃分為多個(gè)分體柱，然后在分體柱的配筋中合理分布一定數(shù)量的連接鍵（如通縫、分隔板、摩擦阻尼器等），這樣便可在一定程度上增強(qiáng)構(gòu)件的剛度及抗震性能。即便是采用分體柱無(wú)法有效增強(qiáng)柱子的抗堿性，但能使抗彎能力降低并能使柱子的抗變形能力提高，可將短柱轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)柱，從而使短柱的抗震能力增強(qiáng)。

4.4 控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

地震會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力、豎向力和水平力，建筑物在各方向力的作用下會(huì)受到嚴(yán)重破壞。因地震發(fā)生具有隨機(jī)性和突然性，因此難以預(yù)測(cè)地震的發(fā)生時(shí)間及強(qiáng)度，并且還會(huì)受到很多未知因素的影響，故在高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意防護(hù)其豎向力和水平力，應(yīng)用考慮扭轉(zhuǎn)力作用，對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)位移應(yīng)提高要求，為確保混凝土建筑整體位移的一致性，應(yīng)對(duì)最大和最小位移結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)，應(yīng)分析建筑的整體抗震性能，若發(fā)現(xiàn)存在隱患應(yīng)及時(shí)采取糾正措施，使高層混凝土建筑的抗震性能得到保障。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了滿足人們的居住要求，一幢幢高層建筑拔地而起，這就要求高層混凝土建筑具有更高的安全性、穩(wěn)定性。因此，在高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須對(duì)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起重視，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要對(duì)建筑物建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行全面分析，還應(yīng)動(dòng)用科學(xué)的方法使高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能得到進(jìn)一步提升，才能夠使人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全得到保障。

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作者簡(jiǎn)介：吳其彪（1982-），男，廣西貴港人，供職于華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：小 燕）