高層建筑抗震設(shè)計(jì)探析

王貴麗 張京 楊麗娟

【摘要】高層建筑抗震能力的好壞直接影響到廣大群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，為此，一定要加強(qiáng)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)和施工。本文分析了當(dāng)前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)中抗震性設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，并提出有效的抗震性措施。

【關(guān)鍵詞】高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要點(diǎn)分析

0前言

當(dāng)前我國(guó)在建建筑多為高層設(shè)計(jì)，有效節(jié)約了土地，但我國(guó)是個(gè)地震災(zāi)害發(fā)生頻繁的國(guó)家，地震的發(fā)生將對(duì)高層建筑的使用壽命帶來(lái)重大影響，甚至?xí)＜皬V大居住群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，為此，高層建筑一定要加強(qiáng)抗震作用的設(shè)計(jì)，至少要滿足國(guó)家防震要求，做到“大震不倒，中震可修，小震不壞”，以避免地震災(zāi)害帶給人類(lèi)的嚴(yán)重后果。

1高層建筑抗震設(shè)計(jì)的作用

高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中不能輕視抗震設(shè)計(jì)方面。相對(duì)于普通建筑，高層建筑的構(gòu)造、規(guī)模、具體構(gòu)件都呈現(xiàn)出明顯的不同。如果高層建筑設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，將造成難以挽回的損失。所以，高層抗震設(shè)計(jì)首要環(huán)節(jié)必須注重抗震設(shè)計(jì)的設(shè)防烈度，抗震等級(jí)以及抗震強(qiáng)度，嚴(yán)格按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)?？拐鹪O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)延性、剛度等最終決定了高層建筑工程整體的質(zhì)量，因此必須重視高層建筑中的抗震設(shè)計(jì)。

2高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)主要問(wèn)題

2.1建筑物高度設(shè)計(jì)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不符

目前，為獲得更大利益，部分施工單位不按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或設(shè)計(jì)院圖紙施工，其項(xiàng)目的建筑高度超出了建筑物原有高度設(shè)計(jì)值，一旦地震災(zāi)害發(fā)生，高層建筑物出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象的可能性將大幅增加。建筑物設(shè)計(jì)高度不滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不僅影響建筑物內(nèi)部強(qiáng)度，也會(huì)增加其他施工成本，甚至威脅民眾生命安全。

2.2高層混凝土建筑地基選擇缺乏科學(xué)性

高層混凝土建筑地基選擇尤為重要。如果項(xiàng)目所在地區(qū)土壤情況不良，會(huì)影響高層建筑物的設(shè)計(jì)抗震效果。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程愈來(lái)愈快，城市用地更加緊張，有的開(kāi)發(fā)商為了謀求更大的經(jīng)濟(jì)效益，從而忽略了不良土質(zhì)對(duì)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的影響，盲目立項(xiàng)，結(jié)果，地震一旦發(fā)生，不良地質(zhì)引發(fā)的地震災(zāi)害會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類(lèi)的控制后果。因此，高層混凝土建筑在選擇地基時(shí)應(yīng)該對(duì)項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)的土質(zhì)進(jìn)行勘察檢測(cè)，為設(shè)計(jì)提供可靠有效的地質(zhì)勘察報(bào)告，已保證高層建筑基礎(chǔ)承載力與現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)強(qiáng)度相匹配。

2.3高層混凝土建筑選材缺乏合理性

我國(guó)高層混凝土建筑物多以鋼筋混凝土核心筒為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)位移及建筑選材缺乏合理性是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一大問(wèn)題。在地震災(zāi)害中，高層建筑物頂部易受更大危害，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物硬度較小，其建筑頂部無(wú)法承受較大的地震震動(dòng)強(qiáng)度。因此，選擇合理的建筑材料，對(duì)提升建筑抗震效果有著積極意義。

3高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

反復(fù)完善、優(yōu)化高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也是提高建筑物抗震性能的重要措施。在制定結(jié)構(gòu)方案時(shí)，要本著提升建筑延展性的原則。延展性即為建筑物在一定空間內(nèi)受到地震災(zāi)害后，其結(jié)構(gòu)還不會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p壞，并能自動(dòng)恢復(fù)到震前狀態(tài)。結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重關(guān)注建筑的縱向受力分析，如何合理布置建筑結(jié)構(gòu)，調(diào)整建筑布局，合理分配縱向傳力路徑，是提升建筑物抗震效果的重要舉措。

3.2側(cè)向位移控制

高層建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注重側(cè)向位移控制。鑒于高層建筑的樓層逐漸增高，層間側(cè)向位移現(xiàn)象將很難得到有效合理的控制，側(cè)向位移狀況還將伴隨樓層高度的增加逐步加大，體現(xiàn)出側(cè)向位移和建筑物高度的四次方呈正比關(guān)系。一旦施工過(guò)程中沒(méi)有很好的控制側(cè)向位移幅度，層間側(cè)向位移超出規(guī)定的允許值，將對(duì)高層建筑穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。高層建筑有可能因此引發(fā)倒塌、墻面開(kāi)裂等狀況，嚴(yán)重危害到人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全。所以，應(yīng)重視高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中的側(cè)向位移控制。

3.3控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

高層建筑物在地震災(zāi)害中，更容易受到縱向、橫向等方向地震力的影響。在地震過(guò)程中，對(duì)高層建筑物危害較大的作用力是扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行高層設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的關(guān)注，對(duì)建筑物的最大位移量和最小位移量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出合理的建筑抗震強(qiáng)度，最終保證高層建筑物上下位移控制在允許值內(nèi)，從根本上減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)建筑物的損害。

4優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體策略

4.1選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既要考慮其抗震安全性，也要盡可能的經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)應(yīng)布置多道抗震防線，避免部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力或喪失對(duì)重力的承載能力。此外，結(jié)構(gòu)應(yīng)擁有良好的整體性和變形能力，使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和變形能力三者達(dá)到統(tǒng)一。

4.2建筑布置宜規(guī)則

高層建筑應(yīng)重視體形和結(jié)構(gòu)的總體布置。由于建筑體形不合理或結(jié)構(gòu)總體布置不合理而造成的地震災(zāi)害，在國(guó)內(nèi)外的大地震中都有所見(jiàn)?？拐鹪O(shè)計(jì)選擇的建筑平面和立面布置宜對(duì)稱、規(guī)則，避免采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免有剛度和承載力突然變小的樓層，造成薄弱層的出現(xiàn)，地震時(shí)該部分容易破壞。

4.3選擇合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和地震作用傳遞途徑

目前大多數(shù)高層建筑都可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序運(yùn)算，為保證計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠性，要求工程設(shè)計(jì)人員要熟練掌握結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的計(jì)算見(jiàn)圖，結(jié)構(gòu)在地震作用下的傳力途徑要簡(jiǎn)單、直接，利用合理的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型獲得更為符合實(shí)際的抗震驗(yàn)算結(jié)果。

4.4選擇有利于抗震的場(chǎng)地和地基

高層建筑設(shè)計(jì)中要選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，避開(kāi)對(duì)建筑抗震不利的地段。當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?，不?yīng)在危險(xiǎn)地段上建造高層建筑。此外，設(shè)計(jì)前應(yīng)估算建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，并與場(chǎng)地卓越周期錯(cuò)開(kāi)，防止地震時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生類(lèi)共振現(xiàn)象的破壞。

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