高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的探討

胡昌德

（酒鋼集團(tuán)甘肅筑鼎建設(shè)有限責(zé)任公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，高層建筑越來(lái)越多，而為了應(yīng)對(duì)頻繁的地震災(zāi)害，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局都需要考慮抗震性，這使得高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越發(fā)困難。對(duì)于高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)工作而言，抗震分析是十分重要的，其實(shí)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為了保證建筑結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)安全抗震，施工單位必須要重視高程建筑抗震分析和設(shè)計(jì)工作，為其施工建設(shè)和使用奠定良好的基礎(chǔ)，同時(shí)增加高層建筑的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概述

我國(guó)當(dāng)前使用的高層建筑抗震計(jì)算基于予多遇地震情況提出的一種計(jì)算方法，在反應(yīng)譜理論指導(dǎo)下所設(shè)計(jì)的，并應(yīng)用彈性方法對(duì)其內(nèi)力、位移展開(kāi)計(jì)算，采用極限狀態(tài)方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要考慮以下幾點(diǎn)：場(chǎng)地、地基合適性，選擇合適的地理位置建設(shè)；地震衍生傷害規(guī)劃，通過(guò)合理規(guī)劃預(yù)防地震引發(fā)的衍生災(zāi)害；結(jié)構(gòu)合理，考慮建筑抗震的設(shè)防烈度、類(lèi)別、材料、高度等因素；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件做好處理，包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其主體連接、附屬機(jī)電設(shè)備等構(gòu)件的計(jì)算處理[1]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）因地制宜。設(shè)計(jì)前要仔細(xì)勘察建筑物周邊情況，包括地形、地基荷載等情況，確保建筑設(shè)計(jì)能夠有效落實(shí)。

（2）誤差合理。在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)前，首先要計(jì)算簡(jiǎn)圖，以確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合用戶要求，同時(shí)能夠通過(guò)簡(jiǎn)圖計(jì)算了解其中的不足，進(jìn)行改進(jìn)，提高建筑結(jié)構(gòu)安全性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，通過(guò)準(zhǔn)確的簡(jiǎn)圖計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加完善。

（3）功能完善。高層建筑類(lèi)型不同，其功能也有所不同，因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)用戶實(shí)際要求來(lái)設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，滿足不同建筑在功能上的各種需求。

（4）建筑延性。高層建筑在抗震方面有著較高的要求，因此，設(shè)計(jì)施工時(shí)需要注意建筑延性要求，利用施工材料、設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等完善高層建筑的功能，提高其延性。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

3.1 地基問(wèn)題

有些高層建筑的場(chǎng)地屬于較厚的軟弱沖擊土層，這類(lèi)土層對(duì)建筑地基破壞力比較大。而且，地基由于受到土液化影響出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，影響了上部建筑，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)建筑傾斜。高層建筑的建設(shè)位置一旦處于危險(xiǎn)地段，極易發(fā)生由于地基問(wèn)題而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，若是建筑結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地自振周期重趨同，引發(fā)共振效果會(huì)加大建筑破壞力。

3.2 高度問(wèn)題

當(dāng)前我國(guó)使用的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)相關(guān)規(guī)定指出，在一定的設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，鋼筋混凝土高層建筑有相應(yīng)的高度標(biāo)準(zhǔn)，該高度需要根據(jù)我國(guó)的建筑水平、經(jīng)濟(jì)水平以及施工水平等來(lái)決定，這種方法被大部分建筑學(xué)家所認(rèn)可[2]。但是，現(xiàn)階段高層建筑在建設(shè)時(shí)，很多建筑的高度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)高度，一旦遭遇地震，這些超高建筑極易發(fā)生變形現(xiàn)象，建筑物也會(huì)迅速被破壞，整個(gè)建筑的安全都會(huì)受到影響。

3.3 結(jié)構(gòu)體系問(wèn)題

高層建筑結(jié)構(gòu)一般是框架結(jié)構(gòu)或是框架與抗震墻結(jié)構(gòu)，而鋼筋混凝土框架平面內(nèi)柱的上部分極易出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，窗洞部位外墻框架柱在窗下墻體影響下出現(xiàn)短柱形剪切破壞問(wèn)題。如果高層建筑應(yīng)用的是抗震墻結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的破壞性就比較小。如果應(yīng)用的是底框結(jié)構(gòu)，建筑底層由于剛度低所遭遇的破壞性比較大。如果應(yīng)用的是框架結(jié)構(gòu)，底層為敞開(kāi)式框架間，且沒(méi)有磚墻，建筑底層就會(huì)遭遇嚴(yán)重破壞[3]。如果應(yīng)用的是鋼筋混凝土土柱結(jié)構(gòu)，樓板一旦受到?jīng)_切，或是樓層出現(xiàn)較大的側(cè)移現(xiàn)象，柱腳就會(huì)被破壞，各層樓板會(huì)出現(xiàn)掉落、重疊現(xiàn)象。

3.4 抗震設(shè)防烈度不高

對(duì)于高層建筑抗震設(shè)計(jì)而言，很多建筑學(xué)家指出，當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前我國(guó)的建筑行業(yè)發(fā)展需求，對(duì)我國(guó)的高層建筑建設(shè)的幫助不大，因此，我國(guó)必須要提高建筑設(shè)計(jì)水平，重視其抗震分析和設(shè)計(jì)工作。當(dāng)時(shí)，現(xiàn)在我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)發(fā)展不暢，設(shè)計(jì)人員不重視抗震設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)不遵循抗震設(shè)計(jì)原則，抗震計(jì)算和構(gòu)造措施也不夠嚴(yán)謹(jǐn)，特別是軸壓比、配筋率、承載力等方面的計(jì)算。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

4.1 降低地震能量輸入

在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用位移結(jié)構(gòu)抗震方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析，保證結(jié)構(gòu)變形彈性與預(yù)期地震作用變形要求相符合。在驗(yàn)收構(gòu)件承載力時(shí)，需要計(jì)算結(jié)構(gòu)地震下的高層建筑層間位移限值，并根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)位移及其變形關(guān)系確定構(gòu)件的變形值[4]。根據(jù)建筑物應(yīng)變分布情況明確構(gòu)件構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，施工場(chǎng)地必須要堅(jiān)固，以降低地震能量的輸入，減少地震對(duì)高層建筑的破壞。

4.2 實(shí)行平立面設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)與布局直接決定建筑物動(dòng)力性能，因此，建筑結(jié)構(gòu)布置必須要遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及合理原則，以保證房屋建設(shè)的安全。因此，在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用平立面設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)要求建筑要對(duì)稱(chēng)、規(guī)則，具備適當(dāng)?shù)膭偠扰c質(zhì)量，以防止出現(xiàn)樓層錯(cuò)層的現(xiàn)象[5]。同時(shí)，對(duì)變形鏈也要合理設(shè)置，防止建筑變形。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要預(yù)算地震影響及其產(chǎn)生的傷害程度，對(duì)薄弱部位需要采用抗震構(gòu)造，尤其是高度及其高度比需要合理設(shè)計(jì)配置，設(shè)計(jì)要負(fù)荷規(guī)范。

4.3 控制好結(jié)構(gòu)變形

高層建筑結(jié)構(gòu)變形直接影響著氣抗震能力，一旦發(fā)生地震，在水平震動(dòng)力下，建筑物會(huì)出現(xiàn)側(cè)移，使得建筑物結(jié)構(gòu)變形，甚至被破壞。因此，必須要重視結(jié)構(gòu)類(lèi)型考察工作，采取針對(duì)性加固方法降低建筑結(jié)構(gòu)由于地震而出現(xiàn)的變形現(xiàn)象。實(shí)踐證明，在評(píng)估高層建筑損壞程度時(shí)，間層側(cè)移角度指標(biāo)十分重要，其計(jì)算需要按照公式進(jìn)行，在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)即可。此外，還需要控制建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移現(xiàn)象，一般是通過(guò)縮小框架梁距和柱距，應(yīng)用彎剪雙重抗側(cè)力體系、采用立體構(gòu)件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、交錯(cuò)布置等方式，并使用雙曲線圓筒和加大寬度來(lái)控制建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移。

4.4 設(shè)置抗震防線

設(shè)置抗震方向有利于提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震力，在抗震體系中，受到地震的影響，一些延性好的構(gòu)件所發(fā)揮的作用也比較大，能夠?qū)拐鸸ぷ魈峁┹^大的幫助，其他構(gòu)件也發(fā)揮著抗震防護(hù)作用[6]。而通過(guò)設(shè)置多層的抗震防線能夠有效降低建筑抗震性，降低地震對(duì)建筑的破壞，即使第一道防線被破壞，還有其他道防線能夠保護(hù)建筑物。在設(shè)計(jì)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，可以采用多肢節(jié)、壁式框架剪力墻結(jié)構(gòu)起到抗震作用，其中框架剪力墻就是多層抗震防線結(jié)構(gòu)，剪力墻為第一層防線，通過(guò)設(shè)置多個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)提高建筑承載力，增強(qiáng)建筑抗震性。

4.5 注重薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，其設(shè)計(jì)必須要重點(diǎn)考慮薄弱環(huán)節(jié)，降低其對(duì)建筑整體的影響力。對(duì)此，需要明確薄弱位置，保證其不僅能夠具備變形能力，同時(shí)也需要計(jì)算好改部位的構(gòu)件實(shí)際承載力，判斷薄弱層的抗震效果，控制好薄弱部位承載力與彈性受力比，減少由于受力過(guò)大而導(dǎo)致構(gòu)件變形，出現(xiàn)建筑坍塌現(xiàn)象。

4.6 合理選擇設(shè)計(jì)方案

合理選擇設(shè)計(jì)方案是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，為后續(xù)工程進(jìn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，為了能夠得到高層建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員要選擇最優(yōu)方案，并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考量各種因素，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在相關(guān)規(guī)范和制度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，盡量閉避免超高設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工情況進(jìn)行仔細(xì)的考察，特別是地下水、地質(zhì)條件、荷載等情況，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)最優(yōu)建筑結(jié)構(gòu)，為施工和應(yīng)用提供保障。而為保證建筑水平力，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)設(shè)置嵌固端以及短肢剪力墻來(lái)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)建筑穩(wěn)定性。此外，在進(jìn)行延性設(shè)計(jì)時(shí)，高層建筑一般會(huì)設(shè)置防控空間和地下空間，這些設(shè)置會(huì)影響高層建筑延性，對(duì)此，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)建筑的抗震等級(jí)以及嵌固端剛性比例等把握好，控制好結(jié)果的剛性變形范圍，降低其共振性，盡量減小結(jié)構(gòu)的剛性設(shè)置，這樣才能夠使高層建筑結(jié)構(gòu)本身延性上升，進(jìn)而增強(qiáng)其抗震性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，建筑行業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，為了提高高層建筑質(zhì)量，必須要做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高高層建筑的抗震性。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的建筑物情況來(lái)設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)建筑地基承載力、構(gòu)件承載力、材料選擇等分析，就高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提出降低地震能量輸入、實(shí)行平立面設(shè)計(jì)、控制好結(jié)構(gòu)變形、設(shè)置抗震防線、注重薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、合理選擇設(shè)計(jì)方案等方法，確?？拐鹪O(shè)計(jì)能夠符合建筑要求，降低地震對(duì)高層建筑的破壞性。