高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的研究

周磊

（南昌大學(xué)設(shè)計研究院）

地震對高層建筑的影響是較大的，對于建筑來說，良好的抗震設(shè)計能夠保證人們的生命安全和財產(chǎn)安全。因此，設(shè)計單位及設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)要對高層建筑的抗震設(shè)計給予一定重視，在掌握設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為高層建筑的使用壽命以及人們的生命財產(chǎn)安全提供保障。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

1.1 整體性原則

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計需要遵循整體性原則，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻及框架柱的布置應(yīng)盡量橫平豎直，豎向構(gòu)件之間的拉結(jié)梁應(yīng)有足夠的剛度，以保證豎向構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)，更加合理的分配風(fēng)荷載效應(yīng)和地震效應(yīng)。樓蓋在整個抗震結(jié)構(gòu)中是非常重要的，其整體性與建筑結(jié)構(gòu)整體性有著直接的關(guān)系，不僅要求其能夠聚集和傳遞慣性力到其他子結(jié)構(gòu)，同時還要求子結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震性能，抵抗地震的作用。若是豎向抗震里子結(jié)構(gòu)的分布不均勻，則會導(dǎo)致整個高層結(jié)構(gòu)只能依靠樓蓋來與子結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同工作，共同“承擔(dān)”地震作用力。因此，在進(jìn)行抗震設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)要注重整體性原則。

1.2 剛度原則

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，確定結(jié)構(gòu)剛度并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布局能夠抵抗任意方向的地震作用力，在通常情況下，結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計不僅要對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行良好控制，同時也能夠降低地震通對建筑結(jié)構(gòu)的沖擊力。若是結(jié)構(gòu)變形量較大，則會導(dǎo)致建筑出現(xiàn)重力二階效應(yīng)，直接導(dǎo)致建筑失衡。并且高層建筑的填充墻應(yīng)采用輕質(zhì)材料，外墻盡量采用玻璃幕墻，減輕結(jié)構(gòu)總重量，以此降低高層建筑在受風(fēng)荷載及地震作用時的內(nèi)力（結(jié)構(gòu)重量越大，地震效應(yīng)越大）及變形（結(jié)構(gòu)重量越大，由變形產(chǎn)生的重力二階效應(yīng)越大）由此可見，科學(xué)合理的剛度設(shè)計能夠提高建筑的質(zhì)量，有效對抗地震作用力，因此，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)要注重剛度設(shè)計的合理性。

1.3 規(guī)則與均勻原則

規(guī)則與均勻原則也是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中所需要遵循的原則。結(jié)構(gòu)的豎向布局應(yīng)當(dāng)要規(guī)則且均勻，且要保證結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化的均勻性，避免側(cè)向剛度的突變影響建筑抗震性能。這樣能夠保證建筑結(jié)構(gòu)在地震作用力的影響下能夠有明確且直接的傳導(dǎo)途徑。為避免高層建筑在地震作用下產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)，平面布置應(yīng)符合以下要求：采用地震作用影響較小的平面形狀，平面布置宜規(guī)則、對稱、避免質(zhì)量和剛度分布的不均勻，地震力不同作用方向上的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度不宜差距過大，平面長度不宜過長。當(dāng)為滿足建筑需要而采用躍層（局部開洞較大）設(shè)計時，為應(yīng)對開洞的洞邊進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

在上述抗震設(shè)計原則的基礎(chǔ)上展開相應(yīng)的抗震設(shè)計，能夠有效提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。在實(shí)際情況中，可以從以下幾方面來展開高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計：

2.1 場地與基礎(chǔ)的選擇和設(shè)計

場地與基礎(chǔ)部分是抗震設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，很多地震造成建筑的破壞都是由場地和基礎(chǔ)而引起的。在場地的選擇方面，應(yīng)當(dāng)要盡量避開容易斷裂的地帶和土質(zhì)不利的地帶，如：軟弱土地帶、斷層破碎帶、半挖半填地基等，若是避免不了要在不利地帶展開建筑，那么需要對地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，常見的地基加固處理技術(shù)有強(qiáng)夯法、換土墊層法、深層擠密法等。由此可見，對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)要對場地進(jìn)行合理選擇，并對地基進(jìn)行適當(dāng)處理，保證同一個體系在相同性質(zhì)的地基上，保證同一個建筑使用一種基礎(chǔ)，并保證地基基礎(chǔ)與建筑結(jié)構(gòu)之間的緊密性和相互作用。

2.2 抗震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計

①高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震體系與其他類型建筑有所不同，除了常規(guī)結(jié)構(gòu)布局外，還要考慮其規(guī)則性與對稱性（上文中有所涉及），避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況導(dǎo)致失衡。因此，應(yīng)當(dāng)要保證建筑的豎向結(jié)構(gòu)有規(guī)則均勻變化，從上至下剛度逐漸減小，若是建筑發(fā)生不規(guī)則扭曲，那么需要通過抗震措施來加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，提高建筑的抗震性能。②為了提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，需要設(shè)置多道抗震防線。從受力情況上來分析，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度可以分為兩種情況，一種是內(nèi)外結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)作用共同承擔(dān)，相互補(bǔ)充，外部結(jié)構(gòu)承擔(dān)大部分的傾覆彎矩和小部分的剪力作用，而內(nèi)部則承擔(dān)大部分的剪力和小部分的傾覆彎矩；而另一種則是外部結(jié)構(gòu)非常強(qiáng)大，承擔(dān)大部分的傾覆彎矩和建立，內(nèi)部結(jié)構(gòu)則承擔(dān)了較小的部分。由此可見，當(dāng)建筑的第一道屏障遭到破壞時，第二道防線能夠起到一定的保護(hù)作用。比如：在框架剪力墻體系中，抗震墻作為第一道防線，框架則作為第二道防線，起到良好的抗震保護(hù)作用，如圖1所示，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其承重體系為墻體和框架共同承擔(dān)豎向和水平方向的作用力，多用于高層建筑。③薄弱層是抗震設(shè)計中需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)，由于建筑材料、剛度以及變形能力等方面的影響，建筑會出現(xiàn)抗震薄弱環(huán)節(jié)，若是地震來襲，那么這些薄弱環(huán)節(jié)會率先“屈服”，導(dǎo)致建筑坍塌。需要注意的是，建筑抗震的薄弱環(huán)節(jié)需要從建筑的整體進(jìn)行分析，避免考慮部分環(huán)節(jié)而忽略整體受力情況和變形情況。此外，由于結(jié)構(gòu)的薄弱層只是一個相對性的概念，常常會受到材料變化、設(shè)計施工等方面因素的影響而產(chǎn)生變化，導(dǎo)致薄弱層的位置發(fā)生變化，那么如何控制薄弱層位置發(fā)生轉(zhuǎn)移而又能夠達(dá)到其變形能力，是控制高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性的關(guān)鍵。

圖1

2.3 建筑構(gòu)件的抗震設(shè)計

高層建筑抗震性能的提升需要有各個構(gòu)件的支持，因此，在抗震結(jié)構(gòu)體系中的每個構(gòu)件都必須要有合理的剛度和強(qiáng)度，且具有一定的連接性。在設(shè)計的過程中除了要設(shè)置多道抗震防線外，還要保證每個構(gòu)件剛度和強(qiáng)度的科學(xué)合理性，盡量降低薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的機(jī)率。

在高層建筑中，除了承重結(jié)構(gòu)外，非承重結(jié)構(gòu)也是較為重要的，雖然非承重結(jié)構(gòu)并不是建筑中的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，但是其重要性是不言而喻的。在抗震設(shè)計中，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計需要從以下幾方面出發(fā)：①在設(shè)計的過程中，需要先分清結(jié)構(gòu)中哪些是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，然后展開相應(yīng)的抗震設(shè)計。但是需要注意的是，在建筑中有一些結(jié)構(gòu)是否屬于結(jié)構(gòu)構(gòu)件并不容易區(qū)分開來，這種情況可以將其按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件來處理。②對于支撐在樓層之間和防震縫兩側(cè)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件來說，需要考慮到當(dāng)?shù)卣饋硪u的時候支撐點(diǎn)之間位移產(chǎn)生的作用效應(yīng)。

3 結(jié)束語

高層建筑在人們的生產(chǎn)和生活中占據(jù)著越來越重要的位置，如何提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是建筑過程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)要在掌握基本設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，從地基、構(gòu)件、抗震體系等方面來優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證高層建筑的質(zhì)量安全。

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