高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

文/肖成龍 中航長沙設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南長沙 410000

1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市人口的不斷增多，高層建筑已經(jīng)成為了城市居民住址主體，因此高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)也就成為了當(dāng)下城市建設(shè)當(dāng)中的首要問題。高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)是應(yīng)用非常廣泛的建筑結(jié)構(gòu)之一，因其良好的抗震能力受到越來越廣泛的應(yīng)用，對高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探索具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如圖1所示是常用的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)形式

圖1 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)形式

2、高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地震的破壞特點(diǎn)

2.1 高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高層建筑通常情況下是指具有相當(dāng)高度的建筑物，一般指10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他民用建筑。由于高層建筑是的形式是高聳的，因而可以將地面以上部分看作懸臂結(jié)構(gòu)。由于高層建筑所受的橫向和豎向荷載較大，導(dǎo)致建筑的彎矩和剪力在控制上有特殊要求。建筑的高度越高，其受到的荷載越大，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)的要求也就越嚴(yán)格。此外由于軸力與建筑的高度成正比，并且因重力二階效應(yīng)，對水平作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移產(chǎn)生增大的效應(yīng)，因此對于工程建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)需要考慮水平和豎向荷載的共同作用，從而保證設(shè)計(jì)的正確性。

2.2 發(fā)生地震時(shí)高層建筑的破壞特點(diǎn)

地基受到破壞后，高層建筑體會出現(xiàn)傾斜，如果高層建筑位于危險(xiǎn)地帶，在遇到地震后，由于地基土層的不均勻性，會導(dǎo)致沉降量出現(xiàn)差別，進(jìn)而對建筑造成不均勻的受力，使其發(fā)生裂縫。此外如果建筑場地的地震周期與建筑結(jié)構(gòu)的自振周期相近，也會導(dǎo)致共振現(xiàn)象，建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的破壞性影響。建筑結(jié)構(gòu)體系遭到破壞，建筑物內(nèi)框架上方容易遭到剪切型破壞，窗洞也會出現(xiàn)短柱性破壞。相比而言框架-抗震墻結(jié)構(gòu)遭到地震破壞的程度較小。建筑物主體結(jié)構(gòu)如果采用的是長矩形平面，在發(fā)生地震后，發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象，加劇地震破壞力。而如果建筑物主體結(jié)構(gòu)采用的是L型或者三角形等不對稱平面設(shè)計(jì)，在扭轉(zhuǎn)振動的過程中也會加劇地震災(zāi)害的破壞程度。

3、高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)主要問題

3.1 施工設(shè)計(jì)

高層建筑的施工過程對于整個(gè)建筑的抗震性能具有重要的影響。然而在當(dāng)前許多的高層建筑項(xiàng)目的施工中，為了獲得更大的利益，而不嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)高度施工，當(dāng)高度過高超過設(shè)計(jì)允許的值，就會導(dǎo)致建筑在遇到地震時(shí)無法承受地震荷載，從而更加容易發(fā)生倒塌，對使用者造成災(zāi)難性的后果。另外如果不按設(shè)計(jì)要求施工，還會影響建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，造成安全隱患。

3.2 高層混凝土建筑場地選擇的缺乏科學(xué)性

建筑場地的選擇對于高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要的影響，如果高層建筑選取的場地條件不滿足抗震要求，則會對建筑造成影響。然而目前隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，越來越多的高層建筑工程投入施工，然而對場地的影響分析不到位則會產(chǎn)生危險(xiǎn)隱患。因此，高層混凝土建筑在選擇建筑場地時(shí)應(yīng)該對項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)進(jìn)行勘察，采取措施避免地震時(shí)地基基礎(chǔ)的破壞。

3.3 高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)體系選擇缺乏合理性

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震體系的選擇是抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，選取合理恰當(dāng)?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)體系與建筑的整體安全有著密切的聯(lián)系。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)以偏概全，因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件影響到建筑的整體抗震性能，選擇嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，沒有明確合理的地震作用傳遞途徑，變形能力和消耗地震的能力不足，而且可能還會出現(xiàn)薄弱部位等一系列問題。所以說結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注重概念設(shè)計(jì)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)工程師的結(jié)構(gòu)思維和判斷力，從宏觀上決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問題。因此，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，對提升建筑抗震效果有著積極意義。

4、高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

4.1 科學(xué)選定建設(shè)位置

為了使得高層建筑施工得到可靠的保證，需要對建設(shè)的位置進(jìn)行合理的選擇，區(qū)域和位置選擇要綜合考慮建設(shè)地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，同時(shí)考慮和其他場所及設(shè)施的距離，防止對已有的建筑或設(shè)施造成影響。另外也要充分考慮場地的建設(shè)能力是否達(dá)到要求，以保證建筑建成后具有可靠的抗震性能。

4.2 增加多道抗震防線

在高層建筑的抗震體系中，通常是由若干個(gè)部分組成，每一個(gè)部分都具有較好的延性，互相通過可靠的連接進(jìn)行協(xié)同工作。由于通常情況下，地震發(fā)生后會帶來較多的余震，因此為了避免建筑在余震的作用下發(fā)生進(jìn)一步的抗震防線的破壞，需要進(jìn)行多道抗震防線的設(shè)計(jì)，最大程度上確保內(nèi)部、外部贅余度，有意識地建立一系列分布的塑性屈服區(qū)，使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復(fù)，保證主體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的延性和抗側(cè)移能力。

4.3 使用多種合理的抗震計(jì)算方法

抗震的設(shè)計(jì)計(jì)算需要根據(jù)地震的發(fā)生概率進(jìn)行，通常是以該地區(qū)的多遇地震的抗震要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，此外對于特別重要的建筑物還要進(jìn)行罕遇地震下的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算。對于工程建筑存在薄弱層的情況，還要進(jìn)行地震作用下的彈塑性的變形驗(yàn)算。同時(shí)要計(jì)算高烈度地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角和延性位移，并根據(jù)建筑物構(gòu)件中位移跟結(jié)構(gòu)的變形關(guān)系，最終獲得主要構(gòu)件的變形數(shù)值。

4.4 提高抗震構(gòu)件的延性

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)時(shí)要滿足建筑結(jié)構(gòu)的剛度和變形的要求，以及建筑在荷載作用下的強(qiáng)度要求。然而由于目前高層建筑結(jié)構(gòu)通常采用混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)的施工，而混凝土的比重較大，因此對于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性也要有要求，以保證高層建筑結(jié)構(gòu)在特定的層高下，可以通常調(diào)整軸壓比來進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性調(diào)整。一般來講，不宜設(shè)置為短柱，因?yàn)?，因?yàn)槎讨有韵喈?dāng)有限，易導(dǎo)致剪切破壞，最終會導(dǎo)致整體的倒塌，所以提高構(gòu)件的延性很重要。

4.5 設(shè)置合理的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)對于其抗震性能都有重要的影響。通過設(shè)置合理的參數(shù)，可以保證建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)受力構(gòu)件，包括梁、柱、板等變形和承載能力都達(dá)到要求。此外在建筑結(jié)構(gòu)的施工中，質(zhì)量檢測、施工工藝、施工材料、地形條件、建設(shè)位置等方面也具有影響，為了提高高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，需要對設(shè)計(jì)中的各個(gè)要求進(jìn)行全面的分析，得出細(xì)致的結(jié)論。

結(jié)語：

在我國目前的發(fā)展趨勢來看，高層建筑建造的越來越多，而高層建筑的施工和使用的安全性和可靠性對于建筑本身和使用者都有重要的意義。結(jié)構(gòu)的抗震是高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。不僅要對建筑所處的區(qū)域位置、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件等因素進(jìn)行全面的考慮，建筑本身的各項(xiàng)指標(biāo)也要進(jìn)行全面的分析，以確保高層建筑的抗震設(shè)計(jì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。