高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

郭 雪

(山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，山西 太原 030013)

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高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

郭 雪

(山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，山西 太原 030013)

針對(duì)高層建筑的安全問(wèn)題，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念下，結(jié)合新技術(shù)、新觀點(diǎn)，從高層建筑的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)內(nèi)容兩方面展開(kāi)論述，以期提高抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)我國(guó)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

高層建筑，抗震，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳力體系

中國(guó)人口問(wèn)題是整個(gè)社會(huì)的問(wèn)題，如何安置這么龐大的人口數(shù)量，建筑業(yè)承擔(dān)著巨大的考驗(yàn)。老舊房屋占地多，抗震性能低，在舒適性上也達(dá)不到日益增長(zhǎng)的居民要求，所以高層建筑的出現(xiàn)可以很好的解決這個(gè)矛盾，在保證舒適度的前提下，如何安全合理的建造高層建筑就顯得尤為重要。近二十年，我國(guó)高層建筑的建造速度讓世界驚嘆，隨著設(shè)計(jì)水平和施工水平的提高，高層建筑的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)形式層出不窮，但是說(shuō)到根本，抗震性能才是高層建筑尤為應(yīng)當(dāng)重視的問(wèn)題，隨著抗震規(guī)范的不斷更新，對(duì)于高層建筑的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，加之現(xiàn)在興起的隔震減震技術(shù)，也為高層建筑的抗震性能提高了一個(gè)新的臺(tái)階。

1 設(shè)計(jì)原則

1)保證建筑物整體性。建筑物由豎向受力構(gòu)件和水平受力構(gòu)件組成，兩個(gè)方向要保證整體性，同樣兩個(gè)方向之間要求連接的整體性。墻體為豎向受力構(gòu)件，梁為水平受力構(gòu)件，樓板將所有構(gòu)件連接，使構(gòu)件協(xié)同工作。在抗震規(guī)范中，對(duì)于樓板開(kāi)洞的面積比有嚴(yán)格的要求，就是要防止樓板不連續(xù)，建筑物整體性差，所以對(duì)于樓梯間和電梯間區(qū)域，由于樓板開(kāi)洞面積較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要在洞口周邊加強(qiáng)，也是保證整體性的要求。而且連續(xù)的樓板可以提供很強(qiáng)的抗側(cè)力，保證各抗側(cè)力構(gòu)件的受力傳遞，促進(jìn)協(xié)同工作，一同承受地震力。對(duì)于錯(cuò)層、大面積開(kāi)洞的情況，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免，對(duì)于方案確實(shí)要求的，必須增加牢靠的構(gòu)造措施，考慮樓板不連續(xù)帶來(lái)的整體性問(wèn)題。

2)保證建筑物傳力體系簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳力體系是一個(gè)建筑合理的必要條件，在規(guī)范中也有明確的規(guī)定。我們常常說(shuō)的計(jì)算簡(jiǎn)圖，就是要求結(jié)構(gòu)形成簡(jiǎn)單的受力傳力體系，在建筑物承受地震荷載時(shí)，各受力構(gòu)件通過(guò)清晰的傳力路徑，將地震力分級(jí)化簡(jiǎn)并分別承受。對(duì)于高層建筑，只有合理簡(jiǎn)單的地震作用傳遞路徑，才能在計(jì)算模型中精確的模擬出內(nèi)力和位移，便于準(zhǔn)確的分析受力構(gòu)件的分配情況，使設(shè)計(jì)更加與真實(shí)情況符合，達(dá)到地震作用的可靠預(yù)測(cè)。

3)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確。對(duì)于高層建筑，常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有PKPM和YJK，這兩個(gè)軟件對(duì)于常規(guī)的建筑建模輸入內(nèi)容大同小異。對(duì)于一個(gè)高層建筑計(jì)算的準(zhǔn)確性，首先保證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確。比如：抗震等級(jí)、構(gòu)造措施是否提高一度、嵌固層位置、場(chǎng)地等級(jí)、底部加強(qiáng)區(qū)的劃分等等。此外，建筑荷載、風(fēng)荷載也是考慮的重要因素。一個(gè)小小的參數(shù)勾選，直接決定了整個(gè)建筑模型的真實(shí)性，所以在結(jié)構(gòu)模型輸入時(shí)要尤為細(xì)心，并且對(duì)于結(jié)算結(jié)果要有甄別。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)選址的正確性。

萬(wàn)丈高樓平地起，一個(gè)高層建筑的地基及周邊場(chǎng)地的情況對(duì)于高層建筑的安全尤為重要，也是首當(dāng)其沖的。在進(jìn)行建筑場(chǎng)地選址的時(shí)候，需要進(jìn)行震害評(píng)估和環(huán)境評(píng)估，對(duì)于場(chǎng)地是否處于地震斷裂帶、是否存在泥石流滑坡尤為要避免，對(duì)于地基土層的不良性，如濕陷性、液化性、軟弱性，若避免不了，需嚴(yán)格按照地基處理技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求進(jìn)行地基處理。這就要求地質(zhì)勘查報(bào)告的準(zhǔn)確性和客觀性，尤其是高層建筑，下部土層分布、厚度、種類(lèi)和性狀一定要探查清楚。經(jīng)過(guò)地基處理的高層建筑，一定要設(shè)置多道防線，不僅依靠地基處理，還應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)的整體性和上部結(jié)構(gòu)的整體性予以加強(qiáng)。要把地震力恰當(dāng)?shù)哪M到建筑物各個(gè)受力構(gòu)件，采用分項(xiàng)系數(shù)法，系統(tǒng)性的提高各構(gòu)件的抗震能力。適當(dāng)提高抗震措施，有利于提高不良地質(zhì)土層上高層建筑的安全性和抗震性。

2)控制高層建筑的層間位移角限值。

在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，高層建筑的模型分析結(jié)果中層間位移角是個(gè)重要的評(píng)判指標(biāo)，也是定量的指標(biāo)，旨在滿(mǎn)足地震作用下高層建筑的變形性能。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載性能進(jìn)行驗(yàn)算的基礎(chǔ)上,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角限值、位移延性比進(jìn)行科學(xué)合理性的掌控。盡量保證安全合理。此值應(yīng)小于并接近規(guī)范要求的限值視為最優(yōu)方案，同樣要滿(mǎn)足兩個(gè)方向的位移角限值相近的原則，保證建筑在兩個(gè)方向承受地震力的能力相當(dāng)，切忌出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。這個(gè)值的關(guān)鍵在于豎向受力構(gòu)件的布置分布情況、混凝土強(qiáng)度和構(gòu)件尺寸，根據(jù)SETWA驗(yàn)算結(jié)果，分析建筑抗力分散情況，合理輸入?yún)?shù)，將地震給高層建筑造成的影響減少到最小。

3)隔震與減震的運(yùn)用。

近幾年，隔震減震技術(shù)蓬勃發(fā)展，我省住建局提出了強(qiáng)制性要求，就是中小學(xué)和醫(yī)院新建項(xiàng)目對(duì)于隔震減震的設(shè)置要求。運(yùn)用隔震減震可以提高建筑的延性，也屬于抗震措施的一種，對(duì)于整個(gè)建筑在承受地震力時(shí)的能量消耗起到一定的作用，但這個(gè)作用的定量性較難，雖然現(xiàn)在的YJK軟件可以模擬隔震減震構(gòu)件的輸入，但在計(jì)算分析時(shí)，也是模糊的。所以現(xiàn)在高層建筑減震隔震設(shè)計(jì)還停留在構(gòu)造和概念階段，對(duì)于定量的消耗地震力需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4)結(jié)構(gòu)體系的選擇。

結(jié)構(gòu)體系，是受力體系，也是傳遞荷載的體系，關(guān)系到建筑物安全。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)體系的選擇是一個(gè)建筑合理經(jīng)濟(jì)的根本。對(duì)于住宅，要求的墻體構(gòu)件較多，純剪力墻結(jié)構(gòu)很適用；對(duì)于辦公樓、綜合體建筑，筒體結(jié)構(gòu)可以很好的滿(mǎn)足使用功能；對(duì)于超高層、超限工程，鋼結(jié)構(gòu)是不二之選。在選取合適的結(jié)構(gòu)類(lèi)型過(guò)程中,我們要保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能的滿(mǎn)足建筑使用功能。隨著我國(guó)鋼材生產(chǎn)量和質(zhì)量雙雙提高的情況下，很多新興的結(jié)構(gòu)形式，比如鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為高層建筑所用,這樣既能夠使得構(gòu)件截面尺寸大大縮減,又對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的改善是非常有利的。

5)結(jié)構(gòu)自重的控制。

地震力作用的大小，與結(jié)構(gòu)自身重量有著緊密的聯(lián)系，相同條件下，建筑質(zhì)量大的，地震力破壞也就越大。地震力就是根據(jù)質(zhì)量越大，分配越大的原則進(jìn)行分配的，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，控制個(gè)別構(gòu)件的自身質(zhì)量，有利于地震力平均分配。這也就是我們?cè)诮r(shí)，要在過(guò)長(zhǎng)的墻段上開(kāi)洞，就是為了減小它的整體剛度，避免地震力的聚集。研究表明，合理優(yōu)化建筑自身重量，對(duì)于控制成本、控制安全都是有好處的。為了極大限度的減輕建筑物自重，需要對(duì)于填充墻體的材料進(jìn)行優(yōu)選，既要滿(mǎn)足使用需要，又要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，所以新型建筑圍護(hù)材料的出現(xiàn)有效的幫助了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師。

6)多道防線齊抗震。

安全體系其實(shí)就是防御體系的設(shè)置，對(duì)于一個(gè)高層建筑，一道安全體系很難保證建筑的安全，當(dāng)遇到偶然荷載或破壞沖擊荷載的情況下，一道體系的破壞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體系的失效，所以我們?cè)诳拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)常采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的體系共同組成的結(jié)構(gòu)抗震體系。因?yàn)榇笳鸪０殡S著余震，火災(zāi)常伴隨著水患等等類(lèi)似的災(zāi)害都會(huì)伴隨著其他問(wèn)題，所以要防止當(dāng)某一結(jié)構(gòu)損傷引發(fā)結(jié)構(gòu)的整體坍塌。在高層設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻作為豎向受力構(gòu)件，我們采取“大分散小集中”的方式來(lái)布置，就是為了最大限度的保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件冗余度。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，還要建立完整的屈服體系，也就是主要受力構(gòu)件，要具備較高的延性和剛度，在受到地震時(shí)，可以在第一道防線損壞的情況下，還有第二道、第三道防線。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)，繼續(xù)以高速發(fā)展屹立于世界，將會(huì)是世界上建造高層最多的國(guó)家，每一種材料，每一種結(jié)構(gòu)形式都需要進(jìn)行抗震分析，尤其是抗震對(duì)材料的要求也會(huì)尤為突出。我們?cè)O(shè)計(jì)人員不僅僅要會(huì)使用常用的結(jié)構(gòu)分析軟件，也要專(zhuān)研一些高級(jí)別的結(jié)構(gòu)軟件，提高對(duì)抗震分析尤其是整體結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。還要提高模擬到實(shí)踐的結(jié)合方式，不斷改進(jìn)建模手段，強(qiáng)化模型合理化，即從線性分析向非線性分析的轉(zhuǎn)變,從確定性分析向非確定性分析的轉(zhuǎn)變,從振型分解反應(yīng)分析向時(shí)程分析法的轉(zhuǎn)變。

高層建筑的安全與社會(huì)的穩(wěn)定密不可分，高層建筑的安全也體現(xiàn)了一個(gè)設(shè)計(jì)師的水平。在抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要各專(zhuān)業(yè)從自己的角度提出合理化的建議，在高效配合的前提下，完成抗震設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)劣也是施工的根本，在優(yōu)化設(shè)計(jì)上，要結(jié)合新理念、新技術(shù)，提高對(duì)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平,進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

[1] 祝英杰,谷 偉.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

[2] 華 穎.抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中華民居,2013(6):78-80.

Inquiry on the design of high-rise concrete building seismic resisting structure

Guo Xue

(ShanxiJinshetuofanBuildingDesignConsultingCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

In light of high-rise building safety problems, under the concept of optimal design, combining with new technology and new views, the paper makes a discussion from two aspects of high-rise building design principles and design contents, so as to improve the design level of seisinic structure and promote domestic high-rise building seismic resisting structure design technology development.

high-rise building, seismic resistance, structural design, force transmission system

1009-6825(2017)18-0023-03

2017-04-12

郭 雪(1982- )，女，工程師

TU352

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