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

李新磊 馮福雄

（天津市天友建筑設(shè)計(jì)股份有限公司 天津 300384）

引言

建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力是指當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，設(shè)計(jì)的多道防線和結(jié)構(gòu)體系最大限度上抵擋地震對(duì)建筑的沖擊破壞，盡可能減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。改革開放之后，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，尤其是近年來房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)，土地資源的緊張和人口的不斷增加，促使住宅建筑朝向高層發(fā)展，而且建筑高度也在不斷增加。但是高層住宅重心高、穩(wěn)定性和安全性有所欠缺，而且容納的人口更多，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，生命財(cái)產(chǎn)損失會(huì)更加嚴(yán)重。所以一定要做好高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障高層住宅具有良好的抗震性能以及安全性。

1 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的必要性

1.1 我國國情原因

眾所周知，我國地處世界兩大地震帶即環(huán)太平洋地震帶和喜馬拉雅山-地中海地震帶之間，甚至有些地區(qū)就是這兩個(gè)地震帶的組成部分，受其影響，我國地震活動(dòng)不僅頻度高、強(qiáng)度大、震源淺，而且地震活動(dòng)范圍廣，幾乎全國各省均發(fā)生過地震。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國大陸地震約戰(zhàn)世界大陸地震的1/3，我國是一個(gè)多地震的國家。此外，由于我國城市人口密集而且一部分建筑質(zhì)量不高，抗震性能差，所以我國地震造成的破壞較為嚴(yán)重。所以，要減輕地震帶來的災(zāi)害影響，必須對(duì)建筑尤其是關(guān)系到國計(jì)民生的高層住宅做好抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑的抗震能力[1]。

1.2 地震的不可預(yù)知性

現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平還無法對(duì)地震進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，只能對(duì)發(fā)生的地震進(jìn)行檢測并采取相應(yīng)的救援措施。地震都發(fā)生在地下，一般的淺源地震震源至少10km深，然而目前科學(xué)技術(shù)探測的深度還達(dá)不到。另外，目前大多數(shù)利用地震噪聲或超低頻電磁波跟蹤地震或進(jìn)行地震勘探的方法檢測地震。但是，利用地震噪聲或超低頻電磁波跟蹤地震，不僅需要布設(shè)相當(dāng)密度的地震臺(tái)，還涉及海量的工程計(jì)算，最終得到的圖還是10d之前的，而且還只是一小片的區(qū)域數(shù)據(jù)[2]。地震勘探，常采用炸藥作為震源，通過對(duì)距離、深度和炸藥量的控制，人工產(chǎn)生地震波，根據(jù)地震波在底下不同巖層中的傳播路線和時(shí)間，進(jìn)行探測但是這樣的采樣率很低，而且不可能每天都在勘探，可行性和準(zhǔn)確性都很低。目前地震的預(yù)測性是世界性難題，所以我們只能采取措施預(yù)防，對(duì)建筑住宅進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑的抗震能力，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)在最大程度上降低危害。

2 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 抗震設(shè)計(jì)規(guī)則性

在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵循相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)要求和規(guī)定，具備較深的專業(yè)知識(shí)背景，結(jié)合實(shí)際情況和資金能力，科學(xué)合理的布設(shè)建筑空間和使用功能，科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)體系，一一列舉出相應(yīng)的限制條件。在對(duì)高層住宅建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該明確具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則，保證住宅結(jié)構(gòu)規(guī)則性，以便于建筑物有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響，平面對(duì)稱均勻，結(jié)構(gòu)承載力均勻分布[3]。唯有這樣，才能提升高層住宅建筑的承載力和剛度，達(dá)到抗震效果，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，才能夠有效的緩沖地震的沖擊，受到較小破壞，讓住宅不會(huì)倒塌。

2.2 層間位移限制

高層住宅建筑的抗震能力與位移限制、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料緊密相關(guān)，同時(shí)，建筑的高寬比和側(cè)面承載力也直接關(guān)系到抗震效果。設(shè)計(jì)人員在對(duì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格把控建筑的高寬比和建筑材料。現(xiàn)在大多數(shù)住宅建筑一般都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)力和地震的沖擊下，往往會(huì)發(fā)生較大的層間位移現(xiàn)象。所以一定要把控好建筑材料的質(zhì)量，確保它們有足夠的剛度和結(jié)構(gòu)承載力，尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)位移限值符合要求[3]。盡可能的保證高層住宅建筑的穩(wěn)定性和可靠性，保護(hù)住宅內(nèi)的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。

2.3 控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

如果建筑物構(gòu)件的抗側(cè)力不能均勻的布置在建筑物四周，質(zhì)量中心和剛度中心就不能重疊在一點(diǎn)，這就極大地降低了建筑物結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，建筑容易倒塌。此外，高層住宅建筑由于高度問題，重心高，不同高度之間的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也存在一定的區(qū)別。所以在進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要重視扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，嚴(yán)格把控不同高度間的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，合理布局。

3 提升高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)化策略

3.1 科學(xué)合理選擇建筑位置

科學(xué)的選擇合適的建筑位置，能從根本上解決一些問題，在一定程度上規(guī)避地震的影響。在住宅建筑開始之前，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行地基勘測和周圍環(huán)境的考察，并做好記錄和分析。盡可能的選擇抗震能力強(qiáng)的區(qū)域，土層密度大、強(qiáng)度高的地方，盡量避免土質(zhì)疏松的軟地基。如果無法避免，那就人工處理，增強(qiáng)地基的硬度。此外，最好避免選擇容易出現(xiàn)地震的地段和陡坡、采空區(qū)、河岸邊緣和液化土區(qū)域以及容易發(fā)生泥石流和滑坡等自然災(zāi)害的地區(qū)。盡可能的避免這些區(qū)域，如果實(shí)在避不開，在抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮清楚這些區(qū)域帶來的危害，采取措施進(jìn)行補(bǔ)救。比如，根據(jù)地區(qū)地基液化情況和抗震設(shè)防等級(jí)，進(jìn)行相應(yīng)的消除地基液化或采取灌漿法鞏固地基。

3.2 住宅結(jié)構(gòu)抗震體系

高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震體系的設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為核心所在，直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在進(jìn)行設(shè)計(jì)抗震體系時(shí)，提前研究清楚住宅的位置特點(diǎn)、成本投入、這一區(qū)域地震活躍度，設(shè)計(jì)出針對(duì)性的抗震體系。在條件允許的情況下，可以在高層住宅頂層設(shè)計(jì)鋪設(shè)橡膠層，因?yàn)橄鹉z層對(duì)緩沖地震沖擊力有一定的效果，這樣可以增強(qiáng)住宅的承受力，提升住宅建筑的抗震效果。除此之外，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)多道抗震防線，多重措施來緩沖地震的沖擊力，保障建筑的安全性。這就需要合理選擇不承擔(dān)重力負(fù)載的結(jié)構(gòu)和地震作用傳遞途徑，防止因局部損壞而使整體受到影響。高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震體系在內(nèi)各個(gè)結(jié)構(gòu)既要相互協(xié)調(diào)，又要相互獨(dú)立，在外要形成一個(gè)系統(tǒng)完整的抗震體系，確保體系的完整性。

3.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)

抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的要點(diǎn)就是均勻?qū)ΨQ，綜合分析、科學(xué)評(píng)估整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中的承載能力和剛度，以便對(duì)建筑的抗震能力有個(gè)大體估算。高層住宅的承受力受建筑結(jié)構(gòu)的剛度、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分布和結(jié)構(gòu)延性影響。高層建筑的承重結(jié)構(gòu)分縱向和橫向兩個(gè)方向，他們整合在一起就是整個(gè)的建筑結(jié)構(gòu)，而承重結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性又影響著抗震效果。所以在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，先對(duì)承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?？梢圆扇≡黾訕?gòu)造柱、配置鋼筋圈梁、選擇合適的塑性變形構(gòu)件的方式，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。此外，在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)重視建筑主體的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意在對(duì)主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面布置中確保同一主軸方向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻，而且兩個(gè)主軸方向變形特性以及剛性應(yīng)該比較相近。這有助于建筑結(jié)構(gòu)提升抗風(fēng)能力和抗震能力。

4 結(jié)語

由于地處位置特殊，我國是一個(gè)地震頻發(fā)的國家，尤其近年來地震所引起的損失越來越嚴(yán)重，威脅著人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。這迫使我們必須加強(qiáng)對(duì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，從場地選擇、抗震結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多角度優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取多種手段增強(qiáng)建筑的抗震能力，最大限度保障建筑安全。