高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計討論

曹永圣

（山西省建筑設(shè)計研究院 山西太原 030013）

前言

在高層建筑的設(shè)計與建造中，安全性與穩(wěn)定性是首要考慮的問題，因此，抗震性能才是高層建筑尤為應(yīng)當重視的問題。

1 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.1 水平荷載控制

水平荷載決定著高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體效果。水平荷載包括風荷載和水平地震作用。水平荷載的大小將直接決定了高層建筑的抗震水平。原因在于：①高層建筑物重力荷載以及高層的水平荷載使建筑產(chǎn)生軸力、剪力以及彎矩，其中軸力、剪力與高層建筑物自身高度一次方呈現(xiàn)正比關(guān)系。②水平荷載使高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩，在構(gòu)件中形成的軸力作用將和樓房高度兩次方呈現(xiàn)正比關(guān)系。

1.2 建筑物側(cè)移控制

在高層混凝土建筑中，在水平荷載的作用下建筑結(jié)構(gòu)通常會出現(xiàn)側(cè)移，而這種側(cè)移也會隨著樓層數(shù)的增加而逐漸加大。若建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移的尺度過大，則建筑結(jié)構(gòu)的本身就會產(chǎn)生一定的內(nèi)力。在內(nèi)外力的作用下，偏心力在超過一定數(shù)值時，就會導(dǎo)致高層混凝土建筑出現(xiàn)大的位移甚至傾倒。同時，建筑結(jié)構(gòu)在受到地震荷載影響下，會出現(xiàn)水平的剪切力，也會導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生側(cè)移的情況。因而在對高層混凝土建筑進行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要保證建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度及強度，避免出現(xiàn)側(cè)移情況。

1.3 水平剛度的控制

當?shù)卣饋砼R時，受地面運動影響，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)更容易受到水平作用力的影響，出現(xiàn)側(cè)移甚至坍塌情況，這對高層混凝土建筑橫墻的承載力提出了一定要求。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑物結(jié)構(gòu)的水平剛度是最為重要的設(shè)計要點。高層混凝土建筑的樓蓋要把地震的作用力傳遞給橫墻，讓建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗傾覆的力矩，同時在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件內(nèi)形成一定的軸力，從而讓建筑結(jié)構(gòu)的高度與水平力彎矩形成正比，避免發(fā)生側(cè)移甚至坍塌的情況。因而，這就需要注意水平剛度的合理控制。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計機理

2.1 隔震

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計，主要是指在高層混凝土建筑的下部，設(shè)置相應(yīng)的隔震層。該隔震層在地震的作用力下，產(chǎn)生相應(yīng)的水平變化，讓地震的作用力不會影響到上部的高層建筑。它能夠讓高層混凝土建筑的上部建筑物與地基之間的共振減少，吸收更多的振動能量作用。隔震的主要構(gòu)件分為三個部分：①鉛制的緩沖性構(gòu)件。該構(gòu)件主要是利用純度較高的鉛材料，在經(jīng)過塑性變形后制成的構(gòu)件；②鋼制的緩沖性構(gòu)件。該構(gòu)件主要是對鋼材料進行塑性變形后制成的構(gòu)件，能夠起到衰減震動的效果；③疊層式橡膠，它是一種把鋼板與厚度數(shù)為毫米的一些橡膠重疊交互接合，在壓力與熱的施加下制成的彈性較高的構(gòu)件。它能夠防止地基出現(xiàn)共振情況，讓高層建筑抗震結(jié)構(gòu)保持著垂直狀態(tài)。

2.2 減震

主要的減震方式有三種：①消能減震。主要是利用高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的附加阻力值，當阻力值達到至高點時，會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的地震作用力減弱。該方式也就是在建筑結(jié)構(gòu)中的一些部位中，設(shè)置上相應(yīng)的耗能元件，在發(fā)生振動時，形成滯回的變形，將能量耗散，如摩擦力的電阻器、金屬的阻力器、粘滯的阻力器等；②蹺動式減震。它允許上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)脫離，通過上部結(jié)構(gòu)的晃動來隔震。與傳統(tǒng)的隔震技術(shù)的區(qū)別在于，它放松的是轉(zhuǎn)動約束而不是水平約束；③機械式的減震。該方法主要是在高層混凝土建筑內(nèi)部利用鋼支撐，并與外部的鋼管之間不粘結(jié)；或在鋼管混凝土或者外包鋼筋混凝土與鋼支撐之間，進行無粘結(jié)漆的涂抹，形成一定的滑移界面，從而起到減震的效果。

3 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計對策

3.1 做好材料及質(zhì)量把關(guān)

建筑材料的選用會對建筑體的質(zhì)量造成直接影響，所以要根據(jù)工程各個方面進行選擇，抗震需要既經(jīng)濟又實惠?？拐鸾Y(jié)構(gòu)是一項復(fù)雜工程，抗震設(shè)計中應(yīng)將建筑的抗震等級、建筑類型、場地、材料、施工因素等考慮進來，與經(jīng)濟相互結(jié)合，采用較好的結(jié)構(gòu)形式。在混凝土澆筑及地基施工時，這些施工工序都會對整個建筑體的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、抗震性產(chǎn)生直接影響，針對這些重要工序施工中使用的材料必須要符合規(guī)定，這樣才能確保建筑整體的抗震性能達到要求標準。把握好工程質(zhì)量，確保工程施工高效、規(guī)范的開展，也很好的避免工程在具體施工中各種問題的發(fā)生，良好的工程施工質(zhì)量對于提高建筑工程的整體抗震性有著重要意義。

3.2 設(shè)定多重抗震防線

在創(chuàng)建抗震構(gòu)造這一系統(tǒng)期間，要設(shè)定多重防線，把部分具備較優(yōu)延性的分體系加以融合，并把這類構(gòu)件加以關(guān)聯(lián)，全方位凸顯出其自身的協(xié)調(diào)功能。抗震墻這一系統(tǒng)要經(jīng)由抗震墻及延性框架組成，二者協(xié)同運用，能夠深層次增強抗震構(gòu)造本身的特性?？拐饦?gòu)造這一系統(tǒng)內(nèi)還應(yīng)設(shè)立充分的贅余度，包含內(nèi)部與外部。并依據(jù)有關(guān)規(guī)定創(chuàng)建規(guī)范布局的屈服處，使建筑構(gòu)造能全方位吸入或是耗費地震能量。系統(tǒng)內(nèi)還應(yīng)添加冗余設(shè)定，進而提升抗震構(gòu)造本身的可靠性。在建筑自身的根本周期及地震卓越周期相近過后，冗余設(shè)定就能全方位凸顯出功能。就算第一處抗側(cè)力防線被損壞，第二處與第三處防線也會取代第一處防線，凸顯出維護功能，以舒緩共振，并減弱地震產(chǎn)生的損壞。

3.3 各層結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，抗震結(jié)構(gòu)體系尤為重要，要按照抗震規(guī)范進行設(shè)計，算出明確簡圖及抗震傳遞途徑，形成多種抗震途徑。建造建筑設(shè)計的基木框架，運用先進的設(shè)計理念與專業(yè)技能相結(jié)合設(shè)計出切實有效的設(shè)計方案，其關(guān)鍵部位要做出詳盡準確的注明。在設(shè)計環(huán)節(jié)中，可以借助地震模擬，明確建筑受力情況，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于結(jié)構(gòu)各部分的實際受力情況進行科學計算，內(nèi)容應(yīng)包括柱梁變形及墻體承載能力等多個方面。在實施結(jié)構(gòu)規(guī)劃時，必須全面掌握建筑施工技術(shù)和所處位置等各項實際情況，明確設(shè)計工作的重點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計框架，改善設(shè)計效果。同時建立系統(tǒng)完善、內(nèi)容詳盡的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫，方便工程師對相關(guān)案例的提取，以此總結(jié)經(jīng)驗。

4 結(jié)語

總而言之，高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計對于提高高層建筑的抗震能力具有重要意義，提高對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平十分重要。

[1]滿國君，付藝璇，姜云鵬.關(guān)于高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計探析[J].河南科技，2017，23（12）：168～233.

[2]吳磊.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計分析[J].門窗，2017（7）：140.