高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)策略

□李曉社

地震作為一種對(duì)建筑物破壞力極大的自然災(zāi)害，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重?fù)p害，如2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震，是新中國(guó)成立以來(lái)、唐山大地震之后發(fā)生的破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣的一次地震，遭到地震重創(chuàng)的國(guó)土面積達(dá)50萬(wàn)平方公里，造成近10萬(wàn)人遇難和失蹤。慘痛的教訓(xùn)也告誡人們，必須重視建筑物的抗震設(shè)計(jì)工作，大力提升建筑抗震設(shè)計(jì)水平，從多個(gè)方面對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，避免遭到地震作用后，造成更大的毀壞，確保人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。

一、高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

(一)建筑場(chǎng)地選址的不正確。隨著我國(guó)建筑工程項(xiàng)目的逐年遞增，城市的土地資源變得非常緊缺。因此，有關(guān)單位和個(gè)人在挑選建筑物地基的時(shí)候，必須對(duì)地基周?chē)牡乩砦恢?、自然條件、氣候環(huán)境等是否適合建筑開(kāi)發(fā)應(yīng)予以了解和掌握，做到萬(wàn)無(wú)一失，防止有的單位違背建筑物地基應(yīng)該選擇土壤扎實(shí)、牢固以及平坦廣闊的原則，如選擇有軟土或者土壤松散且分布不均勻的場(chǎng)地作為建筑用地，如發(fā)生地震，這種場(chǎng)地上的建筑物最容易出現(xiàn)下陷和崩塌，建筑物的主體結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間被破壞，給人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)毀滅性災(zāi)難。

(二)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理。地震發(fā)生時(shí)，建筑物結(jié)構(gòu)的主體框架是首當(dāng)其沖受到嚴(yán)重破壞的，緊接著就是建筑物的主要支柱受力后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，由于建筑物本身的抗震強(qiáng)度主要依托延性結(jié)構(gòu)的抗震性能，延性能力越強(qiáng)，抗震效果越好，所以工程技術(shù)人員在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮采取怎樣措施來(lái)提高建筑物的延性，延性結(jié)構(gòu)機(jī)制原理是把地震帶來(lái)破壞作用轉(zhuǎn)嫁到建筑物的其他部位，產(chǎn)生非彈性的形變結(jié)果，讓結(jié)構(gòu)的次要構(gòu)件來(lái)消耗地震所產(chǎn)生的能量，對(duì)建筑物的整體結(jié)構(gòu)保護(hù)作用明顯。但是在實(shí)踐操作工作過(guò)程中，建筑物的延性構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些不盡人意的地方，如果沒(méi)有合理地解決這些問(wèn)題，導(dǎo)致地震產(chǎn)生的破壞還沒(méi)有傳到延性構(gòu)件就會(huì)消失，失去應(yīng)有保護(hù)作用，也就無(wú)法保證建筑物對(duì)地震能量的消耗，從而對(duì)建筑物造成破壞。

(三)建筑物的高度不達(dá)標(biāo)。對(duì)于建筑物的高度問(wèn)題，國(guó)家出臺(tái)了許多規(guī)范和制度，并要求各個(gè)建筑企業(yè)必須嚴(yán)格遵守和執(zhí)行。但是，仍有極少數(shù)建筑企業(yè)為追求經(jīng)濟(jì)利益的最大化，心存僥幸，違反規(guī)定，鋌而走險(xiǎn)，在建筑過(guò)程中隨意提高建筑物的高度，超過(guò)國(guó)家明文規(guī)定的數(shù)值，致使建筑物的抗震能力大為下降，發(fā)生地震時(shí)容易造成建筑物大范圍、大面積的損毀。

(四)建筑使用的材料不合理。建筑企業(yè)的采購(gòu)人員應(yīng)對(duì)建筑物使用的各項(xiàng)材料按照國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理選取，使之達(dá)到與建筑工程最吻合，以此來(lái)提高、保障建筑設(shè)計(jì)和建設(shè)的質(zhì)量，混凝土核心筒技術(shù)是現(xiàn)階段高層建筑設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法，如果沒(méi)有有效發(fā)揮其應(yīng)有的作用，會(huì)造成建筑物出現(xiàn)變形彎曲甚至垮塌的不良后果[2]。

(五)建筑抗震設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不高。目前，我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)是按照GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)進(jìn)行，工程技術(shù)人員應(yīng)對(duì)其中的規(guī)定、要求和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真領(lǐng)會(huì)、執(zhí)行，設(shè)計(jì)出符合建筑抗震強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，并采取多種措施提高建筑抗震設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

二、改善建筑抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題的有效措施

筆者結(jié)合自身多年從事抗震工作的實(shí)踐認(rèn)為：應(yīng)該正確認(rèn)識(shí)當(dāng)前建筑物抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的具體問(wèn)題，采取選擇好建筑地基、使用合理的建筑材料以及設(shè)置多道抗震防線等具體措施來(lái)有效提高建筑物的抗震功能。

(一)進(jìn)行正確選址。由于高層建筑周邊的場(chǎng)地環(huán)境、地基等因素關(guān)系著建筑物的安全。因此在進(jìn)行建筑場(chǎng)地選址的時(shí)候，進(jìn)行地震災(zāi)害和環(huán)境評(píng)估工作十分重要，尤其對(duì)于建筑場(chǎng)地存在泥石流、滑坡以及處于地震斷裂帶等自然現(xiàn)象和環(huán)境要著力避免，如果在建筑過(guò)程中實(shí)在無(wú)法避開(kāi)濕陷性、液化性、軟弱性等特殊土壤和土層，需提前按照地基處理技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求對(duì)地基進(jìn)行合理的加固和設(shè)計(jì)。另外，對(duì)建筑物地下的土層分布、厚度、種類(lèi)和性狀等狀況務(wù)必要探查清楚，做好高層建筑的地質(zhì)勘查報(bào)告工作，經(jīng)過(guò)地基處理后的高層建筑，還應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的整體性進(jìn)行加強(qiáng)和鞏固，并采用分項(xiàng)系數(shù)法恰當(dāng)?shù)匕训卣鹆δM到建筑物各個(gè)受力構(gòu)件，系統(tǒng)性提高各個(gè)構(gòu)件的抗震能力。

(二)建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)體系不僅是受力體系，也是傳遞荷載的體系，關(guān)系到建筑物的安全。在開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就要把對(duì)建筑物周?chē)膱?chǎng)地環(huán)境條件、內(nèi)部的使用功能、選用的施工材料等一些主要因素加以綜合思考與分析，這是因?yàn)樵诎l(fā)生地震時(shí)，每個(gè)建筑物不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞情況也不一樣。一般常用的高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要采用剪力墻、框架、框架與剪力墻相結(jié)合這三種模式。這三種模式各自具有優(yōu)缺點(diǎn)。剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是承載力比較高，側(cè)向剛度大，在水平力的作用下側(cè)移較小，整體性能優(yōu)良，不足之處是結(jié)構(gòu)自身體積、重量等因素比較大，且進(jìn)行空間布置時(shí)的靈活度、方便性較差，不能夠滿足比較大空間的布置需求；框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是便于對(duì)室內(nèi)的空間布局進(jìn)行靈活調(diào)整，缺陷是不太適用于高層建筑，此外，框架結(jié)構(gòu)主要是以剪切變形的柔性結(jié)構(gòu)為主，抗震效果較差也不太明顯，因此目前使用框架結(jié)構(gòu)的建筑工程越來(lái)越少。目前，高層混凝土建筑物在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，普遍采用將框架與剪力墻這兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)相融合的模式，也就是把框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，分工協(xié)作，各負(fù)職責(zé)，互為補(bǔ)充，如在框架結(jié)構(gòu)的最薄弱部分添加剪力墻，對(duì)提高建筑物本身的承載能力和抗震性能具有明顯作用，但同時(shí)也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)榭蚣芘c剪力墻的剛度具有較大差異性，在突然遇到外力作用下會(huì)產(chǎn)生大大小小、不同程度的位置移動(dòng)，因此在使用過(guò)程中要特別觀察和關(guān)注兩者的變形協(xié)調(diào)。同時(shí)，高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)建也應(yīng)以規(guī)則、簡(jiǎn)約、實(shí)用等為主，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系必須還要有足夠的承載和變形能力，建筑中的每個(gè)部分是相互依存和相互配合的，共同支撐著整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，這就需要技術(shù)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)豎向和橫向結(jié)構(gòu)承載能力的不同，對(duì)建筑物中的薄弱部分進(jìn)行加固處理，并且進(jìn)行合理布局。如高層住宅建筑對(duì)于墻體構(gòu)件要求較多，適合采用純剪力墻結(jié)構(gòu)；對(duì)于大型的綜合體建筑，選擇筒體結(jié)構(gòu)就能較好地滿足其使用功能；對(duì)于超高層、超限的大型建筑工程，采用鋼結(jié)構(gòu)為最佳選擇?？傊?，選取合適的結(jié)構(gòu)類(lèi)型并且盡最大可能滿足建筑的使用功能，這是建筑設(shè)計(jì)最基本的遵循[3]。

(三)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。決定高層建筑抗震性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)對(duì)稱性設(shè)計(jì)。非對(duì)稱的建筑結(jié)構(gòu)因?yàn)橹亓?、重心偏離等因素，在地震作用力的影響下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)等，極易導(dǎo)致建筑物遭到破壞，抗震性能大為下降[4]。為避免出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象，建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。二是平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。事實(shí)證明，受到地震作用后，異性結(jié)構(gòu)容易發(fā)生較大位移現(xiàn)象，所以盡量不要選擇L形、十字形等結(jié)構(gòu)。因此，一般情況下，高層建筑的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以方形、矩形和圓形最好，一方面以簡(jiǎn)單實(shí)用為原則，另一方面也可以讓地震力的傳遞更加明確。三是豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重視均勻性，常采用的豎向結(jié)構(gòu)立面形狀有矩形、梯形或者三角形。

(四)設(shè)置多道防線共同抗震。發(fā)生地震的時(shí)候，常常伴隨著余震、火災(zāi)、水患等許多次生災(zāi)害問(wèn)題，在突然遭遇到偶然荷載或破壞沖擊荷載的情況下，構(gòu)筑一道安全防御體系很難保證一個(gè)高層建筑物的安全性，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體系的失效，為了防止和減少因?yàn)閭€(gè)別構(gòu)件或部位遭受損壞而造成整個(gè)建筑強(qiáng)度的損毀，在建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，常會(huì)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上結(jié)構(gòu)抗震體系，用來(lái)共同加強(qiáng)對(duì)建筑物的防護(hù)作用；而對(duì)于地震來(lái)臨時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大作用力，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)具備一定的變形能力，用來(lái)削減地震的作用力，對(duì)于建筑房屋中薄弱環(huán)節(jié)的抗震能力更要特別注意加強(qiáng)，不要因?yàn)楸∪醐h(huán)節(jié)的損壞而影響整體建筑抗震功能，實(shí)際上將建筑抗震設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合的做法就是保證結(jié)構(gòu)整體性的體現(xiàn)，結(jié)構(gòu)之間構(gòu)成一個(gè)整體效應(yīng)、各部件之間的共同作用能夠有力地抵抗地震的破壞力，達(dá)到較好的抗震效果；還有各部件之間的可靠連接也能提高建筑物的抗震及抗變形能力。在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻作為豎向受力構(gòu)件，為最大限度地保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的冗余度，比較適合選擇采用“大分散、小集中”的方式。另外，高層混凝土結(jié)構(gòu)還必須要求主要受力構(gòu)件具備較高的延性和剛度，因此，建立完整的結(jié)構(gòu)屈服體系也十分必要，目的是第一道防線在遭到地震損毀的情況下，還有第二、三道的防線進(jìn)行保護(hù)[5]。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，通過(guò)對(duì)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以極大地滿足提升人民群眾生活質(zhì)量的需求，對(duì)于保證人民群眾的生命安全、減少地震造成的財(cái)產(chǎn)損失具有一定的積極作用。工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)建筑抗震結(jié)構(gòu)知識(shí)的了解，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合抗震要求的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)。