高層建筑工程的抗震設(shè)計(jì)分析

文/徐慧輝 江門市地震監(jiān)測(cè)中心 廣東江門 529000

高層建筑工程的抗震設(shè)計(jì)分析

文/徐慧輝 江門市地震監(jiān)測(cè)中心 廣東江門 529000

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，加快了城鎮(zhèn)化的步伐，也使得城市建設(shè)用地日趨緊張，高層建筑的發(fā)展成為了必然，但是地震的發(fā)生嚴(yán)重阻礙我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，在高層建筑建設(shè)過程中，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)是十分必要的。所以，需要結(jié)合目前高層建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)在，有的放矢的采取措施進(jìn)行優(yōu)化，以不影響工程基礎(chǔ)功能為基本要求，提高工程抗震性能。

高層建筑工程；抗震設(shè)計(jì)；措施

1、我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

改革開放以來，高層建筑不斷興起，也逐漸引起并受到人們的重視。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，不同的建筑高度的受力狀況是不盡相同的，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直是高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與關(guān)鍵。

為使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形控制在一定范圍內(nèi)，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度都有一定的要求。水平荷載會(huì)跟著豎向荷載一起對(duì)高層建筑產(chǎn)生影響，成為高層建筑設(shè)計(jì)中的重要控制因素。高層建筑中，如果側(cè)向剛度和抵抗側(cè)向變形的能力不足，在受到水平荷載作用的影響下，對(duì)側(cè)向變形的影響就會(huì)增加，而且會(huì)使剛層建筑結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下產(chǎn)生附加內(nèi)力和位移，令相關(guān)的服務(wù)設(shè)施出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的裂縫或者變形，影響建筑的質(zhì)量與安全。

同時(shí)，為使建筑結(jié)構(gòu)在地震的作用下，結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力必須達(dá)到一定的水平才能起到抵御地震的作用，所以，高層建筑對(duì)抗震性能有一定的要求，綜上所述，高層建筑在強(qiáng)度、剛度以及延性方面達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，才能在地震中抵御相關(guān)的危害。

2、高層建筑抗震設(shè)計(jì)的原則

高層建筑抗震設(shè)計(jì)的原則主要包括以下幾個(gè)：

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件要達(dá)到一定的安全性能

高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)該始終秉持強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)底層柱的原則，對(duì)于結(jié)構(gòu)中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)應(yīng)該選擇采取合適的加固措施來提升其抗震能力。同時(shí)，主要承受豎向荷載的構(gòu)建不得作為主要耗能構(gòu)建。

2.2 最大程度的設(shè)立多重抗震保護(hù)

完整而良好的抗震體系需要由多個(gè)延性較好的分體系構(gòu)成，并且要選擇延性良好的結(jié)構(gòu)構(gòu)建來連接工作。在強(qiáng)烈的地震后通常都會(huì)伴隨著若干次余震，假如高層建筑僅僅只有一道防震設(shè)計(jì)保護(hù)，在遭受余震的時(shí)候則會(huì)由于再一次受到震動(dòng)而累積損害倒塌。

2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力以及剛度要實(shí)現(xiàn)平均分布，以滿足地震梵音敢賭需求

如高層建筑中某一部位剛度過高，也會(huì)導(dǎo)致其他樓層形成薄弱的環(huán)節(jié)從而遭受到破壞。高層建筑的頂層與中間樓層需要取消部分墻柱以形成大空間層，并且對(duì)剛度進(jìn)行調(diào)整，強(qiáng)化抗震設(shè)計(jì)。高層建筑底層部門剪力墻更改為框支柱后，相對(duì)上層剛度削弱會(huì)處于更加不利的位置，因此考慮加以專門的抗震措施。

2.4 保證高層建筑剛度，以避免高層建筑頂點(diǎn)與層間出現(xiàn)位移

當(dāng)出現(xiàn)等級(jí)較小的地震時(shí)，應(yīng)該避免過大位置導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，影響建筑的正常使用；當(dāng)出現(xiàn)等級(jí)中等的地震時(shí)，應(yīng)該保證結(jié)構(gòu)免于嚴(yán)重破壞，可以被修復(fù)；在強(qiáng)度較高的等級(jí)地震下，高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)倒塌，同時(shí)也不能猶豫位移過大而導(dǎo)致建筑主體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。

3、高層建筑抗震設(shè)計(jì)效果影響因素

3.1 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高工程抗震性能，必須要提高對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的重視，保證可以達(dá)到小震不壞、大震不倒要求。對(duì)于很多高層建筑工程來說，平面布置復(fù)雜度過高，質(zhì)心與剛心存在偏差，受到地震作用時(shí)，產(chǎn)生的破壞更為嚴(yán)重。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量要保證工程質(zhì)心與剛心重合。另外，還要控制出屋面建筑部分高度，降低地震過程中的辮梢影響，提高工程抗震效果。

3.2 施工材料選擇

面對(duì)相同地震影響，所選材料質(zhì)量性能越好，結(jié)構(gòu)損傷程度越輕，相反則越為嚴(yán)重。為提高工程建設(shè)效果，應(yīng)選擇應(yīng)用隔斷、維護(hù)墻、樓板等構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將傳統(tǒng)施工材料替換為質(zhì)量更輕的塑料板、空心磚、加氣混凝土板等，來提高工程結(jié)構(gòu)抗震性能。同時(shí)，還需要將材料管理貫徹到每個(gè)施工環(huán)節(jié)，嚴(yán)禁出現(xiàn)偷工減料行為，提高施工作業(yè)規(guī)范性，保證工程建設(shè)效果達(dá)到專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 工程建設(shè)環(huán)境

地震發(fā)生后對(duì)工程產(chǎn)生的影響是多方面的，如山體崩塌、巖石斷層、代表滑坡等地表運(yùn)動(dòng)，以及水災(zāi)、海嘯等次生災(zāi)害?；诟黜?xiàng)因素對(duì)建筑工程產(chǎn)生的影響，想要進(jìn)行預(yù)防需要提前采取措施，并保證工程建設(shè)效果達(dá)到專業(yè)要求。其中，更為重要的是，想要降低地震災(zāi)害的影響，需要合理選擇工程施工位置，提前對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)勘察，掌握地質(zhì)地形特征，盡量避開不利地段，選擇有利于抗震的地段。

4、提升我國高層建筑抗震設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的方法

4.1 選擇適用高度和高寬比

高層建筑在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)總體的高度和抗震設(shè)防的烈度來決定建筑的結(jié)構(gòu)類型和最大使用高度。因?yàn)楦邔挶葘?duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體起著重要的穩(wěn)定性作用，對(duì)建筑的剛度、側(cè)移和振動(dòng)形式有著較為直接的影響，將建筑高度控制在合適的范圍之內(nèi)，使建筑在遇到地震災(zāi)害時(shí)能夠產(chǎn)生較大的水平位移和軸向力，能夠抵御一定強(qiáng)度的地震災(zāi)害。

4.2 防震縫的精細(xì)化設(shè)置調(diào)試面

對(duì)一些抗震結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)不妥善的高層建筑，有關(guān)工作人員可結(jié)合實(shí)際狀況在特定位置上設(shè)定防震縫。具體來講，便是在將房屋建筑分割成互相獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，在防震縫的兩側(cè)留出足夠的寬度，防震縫的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)該完全分開。

4.3 墻體結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)分布

在針對(duì)高層建筑開展內(nèi)部抗震性能改良設(shè)計(jì)活動(dòng)中，需要全面加大對(duì)當(dāng)中墻體的關(guān)注力度，畢竟該類媒介始終經(jīng)受地震活動(dòng)較為深刻的影響效應(yīng)。透過以往地震災(zāi)害事件中觀察總結(jié)，高層建筑內(nèi)部墻體在地震事件滋生期間都會(huì)滋生出裂縫，亦或是倒塌狀況，所以說日后要想方設(shè)法加大對(duì)這類建筑內(nèi)部縱橫墻體的規(guī)范化設(shè)計(jì)力度。尤其是在對(duì)建筑構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃的同時(shí)，要坐到橫向墻體和縱向墻體的承重力和數(shù)量決定的，如果墻體數(shù)量較少，各墻之間為了分離建筑的內(nèi)部空間就會(huì)間隔較大，建筑的剛度就會(huì)較小，抗震能力也相對(duì)較低，所以墻體數(shù)量和位置的分布，是改善我國高層建筑抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量過程中，必須集中審視的細(xì)節(jié)性問題。

4.4 屋頂?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)

建筑的質(zhì)量越小，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也就相對(duì)較強(qiáng)，受到地震影響時(shí)受到的損失就越小，建筑的安全性就越高。為了減少建筑在地震時(shí)受到的損失，設(shè)計(jì)建筑時(shí)就要把建筑結(jié)構(gòu)的各部分做的輕一點(diǎn)。要使建筑物的各部分結(jié)構(gòu)變輕，主要是指墻體和屋蓋的質(zhì)量。如果墻體的重量過大，建筑物的抗震性能就會(huì)降低很多，地震發(fā)生時(shí)，厚重的墻體就會(huì)對(duì)建筑物的內(nèi)部造成巨大破壞。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)墻體的結(jié)構(gòu)材質(zhì)做出明確規(guī)定，在屋蓋的建筑上，應(yīng)該盡量減少高度，增加牢固性并使用質(zhì)量較輕的材料，并且不要再屋頂上方增加其他結(jié)構(gòu)，那樣相當(dāng)于增加了房屋的高度和重量，使得建筑物的高度比的比例增大，影響建筑的抗震性能。

4.5 抗震結(jié)構(gòu)的選擇

建筑物的設(shè)計(jì)之初就是要以＜＜建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)＞＞為基礎(chǔ)來確定建筑的抗震設(shè)計(jì)。建筑在抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選擇時(shí)，不僅要考慮地震對(duì)建筑物的影響，還要降低對(duì)周圍環(huán)境影響，建筑物主體材料選用鋼筋混凝土建造，地下室則采用嵌固端的技術(shù)，可以極大地增加建筑物的抗震能力，為了降低建筑物本身的重量，推薦使用鋼結(jié)構(gòu)的框架來進(jìn)行建筑構(gòu)造。

5、高層建筑抗震設(shè)計(jì)實(shí)例分析

5.1 工程概述

以某高層建筑工程為例，為一座綜合型辦公樓，總建筑面積62325.12m2，主體結(jié)構(gòu)為矩形平面，長×寬為32.500m×21.500m。其中，主樓地下1層為人防地下車庫，底面標(biāo) 高-6.300m； 地上16層， 屋頂標(biāo)高57.300m，其中1層層高3.900m，2層層高4.500m，3～6層層高3.900m，7～15層典型層高3.600m，16層層高4.600m。另外，東西側(cè)裙房共4層，裙房頂標(biāo)高15.900m，地上與主樓設(shè)縫分開。主樓2～3層中間25.4m×24.3m范圍設(shè)置中庭上空，且1～4層中間不設(shè)置結(jié)構(gòu)柱。工程施工地標(biāo)準(zhǔn)雪壓取值0.40kN/m2（n=50），標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓取值0.45kN/ m2（n=50），抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

5.2 抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①工程樓板局部不連續(xù)為樓板平面開大洞情況，需要在洞口周圍設(shè)置鋼筋混凝土梁，并適當(dāng)提高周圍樓板厚度與配筋。其在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，洞口周邊一跨范圍樓板定義為彈性板，其余則按照剛性樓板設(shè)計(jì)。樓板開洞設(shè)計(jì)后共用結(jié)構(gòu)長、短柱，要重點(diǎn)做好跨層柱長度的計(jì)算與復(fù)核。提高短柱箍筋對(duì)直徑對(duì)應(yīng)抗震規(guī)范，且全部進(jìn)行加高加密處理。而長柱則應(yīng)該選擇用型鋼混凝土柱，延伸到5層層頂，其中型鋼材料為HN800×400×20×40，同樣對(duì)所有箍筋進(jìn)行加高加密處理。對(duì)于軸力設(shè)計(jì)值較大的墻肢選擇用承載力高的型鋼混凝土剪力墻，提高分布筋最小配筋率為0.35%～0.40%。

②主樓1～4層中間抽柱造成豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)性降低，為將4層設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，需要重點(diǎn)做好其剛度的控制，尤其是加強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，使轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度平穩(wěn)過渡。同時(shí)，還可以提高剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)，而對(duì)于已經(jīng)為特一級(jí)的不需要提高。且為彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)因布置樓梯與電梯井造成的板平面剛度減小，將板厚度提高到150mm，并選擇用雙層雙向通長配筋。

③對(duì)于4層層頂結(jié)構(gòu)，豎向收進(jìn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度產(chǎn)生影響，為提高剪力墻整體剛度，設(shè)計(jì)時(shí)可以提高關(guān)鍵部位樓板厚度，或者是增加配筋數(shù)量。同時(shí)，還應(yīng)將收進(jìn)部位樓板定義為彈性板計(jì)算，通過彈性時(shí)程分析法，對(duì)多遇地震進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。將框架部分承擔(dān)地震剪力進(jìn)行調(diào)整，即調(diào)整值=MIN（0.2×底部總震剪力，1.5×樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中最大值）。

[1]趙麗紅.淺談高層建筑抗震設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)[J].城市地理,2015,14:174-175.

[2]馮東.高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的常見問題及對(duì)策探討[J].四川建材,2015,03:40-41.

圖3 .3-1 石材幕墻層間防火封堵節(jié)點(diǎn)一

圖3 .3-2 石材幕墻層間防火封堵節(jié)點(diǎn)二

（2）除上述特殊節(jié)點(diǎn)的設(shè)置之外，還有如下設(shè)計(jì)建議：層間面板分格不宜跨越兩個(gè)防火分區(qū)。有實(shí)體墻的金屬與石材幕墻的保溫材料應(yīng)采用不燃材料作防護(hù)層。無窗檻墻的幕墻應(yīng)保證不燃體實(shí)體墻的高度不低于 800mm，如達(dá)不到，不足部分建議考慮上翻一個(gè)砼踢腳線，或在梁底加設(shè)防火巖棉帶；當(dāng)點(diǎn)支承幕墻時(shí)，則采用銫鉀防火幕墻加高。保溫的防護(hù)層應(yīng)將保溫材料完全覆蓋。防護(hù)層厚度不應(yīng)小于3mm可采用玻鎂防火板、水泥板、鍍鋅鋼板或憎水型A級(jí)保溫砂漿，同時(shí)應(yīng)按表3.1在每層設(shè)防煙封堵。防火保護(hù)層可采用玻鎂防火板、水泥板、鍍鋅鋼板或憎水型A級(jí)保溫砂漿。以上方案對(duì)成本影響并不大，而且可以減小施工難度，增加層間防火封堵的防火效果。

4、展望

本文通過對(duì)幕墻層間防火封堵的重要性進(jìn)行分析，同時(shí)闡述了層間防火封堵在規(guī)范中的做法要求，但在實(shí)際工程的實(shí)施中，并不能僅僅按照規(guī)范照本宣科，機(jī)械的進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。第4部分的分析僅僅是對(duì)某一兩種情況進(jìn)行的建議和論證。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)和施工過程中，節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況與建筑外立面的多樣性有直接的關(guān)系，而出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)更加多樣，這就需要更多的幕墻從業(yè)者參與進(jìn)來，從耐久性、變形能力、穩(wěn)定性、甚至是縫隙寬度等各個(gè)方面提供更加實(shí)用的節(jié)點(diǎn)建議。上述的節(jié)點(diǎn)建議的不妥之處，敬請(qǐng)各位同行和專家批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)：

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