高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

王會榮，張宏春，王芍丹

（1.云南省曲靖市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督管理站，云南 曲靖 655400；2.昆明空港投資開發(fā)集團(tuán)有限公司,云南 曲靖 655000；3.曲靖市麒麟?yún)^(qū)園林綠化管理處，云南 曲靖 655000）

隨著我國綜合實力不斷增強(qiáng)，國家基礎(chǔ)建設(shè)取得了傲人的成果。但隨著城鎮(zhèn)人口的增加及其他用地比例不斷擴(kuò)大，間接導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民住房用地比例不斷擴(kuò)大，因此我國城市建筑正朝著高層建筑方向不斷發(fā)展，而且種類也演化的越來越多。為了保證住戶的人身安全，越來越多的人將目光從高層建筑的舒適性轉(zhuǎn)到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性上，并且對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求也越來越嚴(yán)格。眾所周知，高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對比較復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計開始時，相關(guān)設(shè)計人員需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐母邔咏ㄖO(shè)計要求，調(diào)查建筑物周邊的環(huán)境和水文地質(zhì)情況，然后結(jié)合自己的抗震設(shè)計理念，后期也需要不斷完善抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡卣鸢l(fā)生情況時建筑物所受的作用力，站在全局的角度分析抗震參數(shù)，最終完成高層建筑物的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)。根據(jù)實際的情況不斷完善結(jié)構(gòu)選型，調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置方式和形式，從而提升高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。

1 高層混凝土建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

1.1 水平方向荷載控制

高層建筑物的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定性因素是水平方向的荷載。而水平方向的荷載的作用又可分為以下兩個部分：一是風(fēng)荷載作用；二是水平地震荷載作用。水平方向的荷載的大小決定了高層建筑物的抗震能力的大小，主要的原因如下：一是水平荷載力的作用下，高層建筑物會產(chǎn)生彎矩，建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會在水平荷載的作用下產(chǎn)生軸力，而且產(chǎn)生的軸力會與樓房的高度的二次方呈現(xiàn)正比的關(guān)系；二是因為高層建筑物由于較大的重力荷載和建筑物受到的水平荷載之間的作用會產(chǎn)生彎矩、軸力和剪力，并且呈現(xiàn)出建筑物高度的一次方的正比關(guān)系。

1.2 建筑物的側(cè)移控制

高層混凝土建筑由于受到水平方向力的荷載作用，常常使建筑物出現(xiàn)側(cè)位移，而且這種側(cè)位移的大小會隨著建筑物的高度而增加。如果建筑物的側(cè)移量較大，高層混凝土建筑自身就會產(chǎn)生一定的內(nèi)力，當(dāng)建筑物產(chǎn)生內(nèi)力后，其偏心距就會有不同的變化；當(dāng)偏心距的大小超過其極限值后，高層建筑就會發(fā)生傾倒或坍塌。當(dāng)高層混凝土建筑受到地震荷載的影響，建筑物會發(fā)生側(cè)移的情況。因此，設(shè)計人員在高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要保證高層混凝土建筑具有足夠的剛度和強(qiáng)度，避免出現(xiàn)側(cè)位移的情況。

1.3 水平剛度控制

當(dāng)?shù)孛媸艿降卣鹩绊懏a(chǎn)生運動，高層混凝土建筑更容易受到水平方向的作用力，使建筑物面臨側(cè)向位移和坍塌的風(fēng)險。因此，建筑物橫墻的承載強(qiáng)度的大小對于保障人身安全具有重要作用。高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計取決于建筑物的水平剛度的大小，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，高層混凝土建筑將地震施加給建筑物的力轉(zhuǎn)移到橫墻上，讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗傾覆的力，同時在建筑物內(nèi)部的豎向構(gòu)件上形成一定的軸力，促使建筑物的高度與水平方向的彎矩形成正比，避免建筑物發(fā)生傾覆和坍塌的情況。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

2.1 建筑物的結(jié)構(gòu)選擇不正確

高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)選擇需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度決定，不能一味參照國家的抗震設(shè)計規(guī)范，要因地制宜?？拐鹪O(shè)防烈度的選擇要根據(jù)混凝土建筑的最大高度值決定。例如，規(guī)范規(guī)定框架結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)防空烈度7級時的最大高度不可以大于40m，但是在真正的高層混凝土建筑建設(shè)中，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)大于18m時，就已經(jīng)不合理了，而且樓層間的最大彈性層間位移角也不能滿足規(guī)范中規(guī)定的大小值?？蚣芙Y(jié)構(gòu)梁柱的尺寸以及配筋過大，建筑布局受限且經(jīng)濟(jì)上消費也過大。因此，高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)選擇上需要結(jié)合多個方面因素考慮。

2.2 高層建筑物的位置選擇不合理

高層建筑物的建設(shè)場地是否合理直接決定建筑物綜合性功能能否正確實現(xiàn)，不當(dāng)?shù)牡乩砦恢脛荼貢绊懡ㄖ锏氖褂?。雖然我國政府部門已經(jīng)在多個方面給予高層混凝土建筑優(yōu)惠，但是建設(shè)單位為了過分追求利潤，往往不會對建筑物的建設(shè)場地進(jìn)行科學(xué)的可行性分析，將一些不適合高層建筑物建設(shè)的場地進(jìn)行高層建設(shè)。一旦這些地基不能正確地進(jìn)行處理，勢必會影響建筑物的使用。

2.3 材料的選擇不恰當(dāng)

高層混凝土建筑由于其獨特的性質(zhì)，決定了它是由多種材料共同組合而成的，因此，合適的建筑材料對于提高建筑物的整體質(zhì)量非常重要，特別是針對地震多發(fā)區(qū)域的高層混凝土建筑更是如此。現(xiàn)在許多建設(shè)單位的采購部門為了追求利益的最大化，沒有對所選的建筑材料進(jìn)行科學(xué)實驗，其購買的建筑材料不能滿足建筑物功能需要的質(zhì)量要求。

2.4 專業(yè)軟件參數(shù)的選擇不正確

高層混凝土建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷發(fā)展，但具有設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計師的數(shù)量的增長速度并不能跟上高層建筑發(fā)展的速度，因此專業(yè)軟件的興起成為必然。年輕設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗不足，對于軟件參數(shù)的選取也存在一定的問題，導(dǎo)致設(shè)計出來的高層混凝土建筑的質(zhì)量存在問題。

3 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的解決措施

3.1 合理選擇混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

對混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化是保證高層混凝土建筑工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素，高層建筑物的設(shè)計過程中，設(shè)計人員需按照國家相關(guān)的建筑抗震設(shè)計規(guī)范，本著規(guī)范、科學(xué)設(shè)計的原則進(jìn)行每一個建設(shè)步驟的設(shè)計。建筑設(shè)計過程中應(yīng)該注意建筑物的各個剖面的規(guī)則對抗震性能及經(jīng)濟(jì)合理性的影響，設(shè)計師要優(yōu)選規(guī)則的構(gòu)件，抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置要按照規(guī)則堆成、側(cè)向的剛度需要均勻變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料的強(qiáng)度需要自下向上不斷地加強(qiáng)，避免出現(xiàn)側(cè)面剛度和承載力的突變。

3.2 科學(xué)選擇高層建筑物的建設(shè)地址

高層混凝土建筑的抗震性能要比其他建筑物的要求嚴(yán)格，因此，選擇高層混凝土建筑的建設(shè)場地必須遵照科學(xué)的程序。首先，專業(yè)的技術(shù)人員要根據(jù)高層混凝土建筑特殊性的結(jié)構(gòu)性能選擇出有利的地段，盡量遠(yuǎn)離不良地基場所以及靠近溝谷、河流的區(qū)域。其次，還要注意礦山地帶不利于高層建筑物的建設(shè)。

3.3 建筑施工材料的選取與應(yīng)用

施工材料是保障建筑物功能正常使用的主要因素，因此，要想建立一個高質(zhì)量的高層混凝土建筑，良好的建筑材料必不可少。材料的購買需要遵循下面的幾個原則：

（1）為了保證材料的科學(xué)性，需要對建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的材料進(jìn)行前期的調(diào)查記錄，需要多少買多少，避免浪費。

（2）在購買材料之前需要對材料的使用性能、重量、規(guī)格等進(jìn)行前期分析，選擇合理且科學(xué)的建筑材料。鋼筋的選購過程中，也要觀察其表面，剔除表面有瑕疵的鋼筋。

（3）要選擇具有良好抗震性能的材料，并依據(jù)公式計算出材料所能承受的質(zhì)量，還要選擇科學(xué)的施工工序，避免浪費材料，使每一件材料都可以發(fā)揮最大的作用。

（4）建筑施工人員要按照國家的規(guī)定進(jìn)行每一道工序的施工，減少建筑材料的浪費降低施工單位的建設(shè)成本。

3.4 認(rèn)真研究選擇高層混凝土建筑物的設(shè)計參數(shù)

在對高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計之前，設(shè)計人員必須到現(xiàn)場對周邊的建筑環(huán)境、水文地質(zhì)條件、施工場所、建筑材料的可供選擇性等因素進(jìn)行充分調(diào)查，并在得到完整的地基勘察內(nèi)容后進(jìn)行抗震設(shè)計。同時，設(shè)計人員還應(yīng)結(jié)合國家高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，靈活運用自己的經(jīng)驗，選擇出最有效的設(shè)計方案。

4 總結(jié)

綜上所述，做好抗震結(jié)構(gòu)是確保高層建筑物安全與穩(wěn)定的重要措施，同時針對高層建筑物存在的問題，應(yīng)該采取積極有效的措施及時應(yīng)對，切實做好高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。