試論我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

張帥 吳桐桐

摘 要：如今，我國高層建筑越發(fā)普遍，業(yè)內(nèi)也越來越重視其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高層建筑的高度高、樓層多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而近年來又頻繁的發(fā)生地震等自然災(zāi)害，一旦有地震發(fā)生就可能對高層建筑造成不可挽回的損失。基于此，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)便受到了廣泛的關(guān)注。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容以及地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)，并探討我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);抗震設(shè)計(jì)

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容

一般情況下，強(qiáng)大的地震作用會使高層建筑物的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性狀態(tài)，為確保地震作用下結(jié)構(gòu)性能可以達(dá)到實(shí)際要求，就要將結(jié)構(gòu)彈塑性變形能力納入到高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中去考慮。從當(dāng)前國內(nèi)外對抗震設(shè)計(jì)研究的發(fā)展趨勢來看，主要圍繞著不同超越概率水平地震作用下對結(jié)構(gòu)的變形要求和性能要求做出合理的設(shè)計(jì)。其中，結(jié)構(gòu)的彈塑性分析是抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，因其具有一定的難度及復(fù)雜性，所以對如何設(shè)定與計(jì)算等一些問題也各有不同的要求。目前，我國的現(xiàn)行抗震規(guī)范對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求主要是按照反應(yīng)譜理論計(jì)算的，采取彈性方法來計(jì)算位移及內(nèi)力，通過極限狀態(tài)來設(shè)計(jì)構(gòu)件。建筑物如果有特殊要求或是個(gè)別的重要建筑則可以利用時(shí)程分析法對其補(bǔ)充計(jì)算，對地震作用下的變形狀態(tài)做出計(jì)算，分析建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。

2 地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)

2.1 地基方面

一是高層建筑在具有較厚軟弱沖積土層場地會明顯增高破壞率;二是在不利或危險(xiǎn)地段所建筑的高層建筑，由于地基被破壞而受到損壞;三是由地基土液化而引起地基沉降不均勻的現(xiàn)象，致使上部結(jié)構(gòu)開始整體傾斜或損壞的較為嚴(yán)重;四是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場地自振周期相近時(shí)，因共振效應(yīng)的破壞程度將加重。

2.2 結(jié)構(gòu)體系方面

一是采用的房屋結(jié)構(gòu)為“填墻框架”，而鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端容易有剪切破壞發(fā)生，因窗下墻的約束使得外墻框架柱有短柱型剪切型破壞發(fā)生;二是房屋如果采用的是“底框結(jié)構(gòu)”體系，底層剛度柔弱，會被嚴(yán)重的破壞。如果房屋采用的是“填墻框架”體系，底層為敞開式框架間未砌磚墻，那么底層同樣被破壞的非常嚴(yán)重;三是房屋結(jié)構(gòu)采用抗震墻體系，其破壞程度不大;四是對于采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑來說，由于樓層出現(xiàn)了較大的側(cè)移或是樓板沖切方面的原因，導(dǎo)致柱腳破壞，各層樓板墜落重疊于地面上。

2.3 房屋體形方面

一是不規(guī)則的平面房屋建筑（包括L形、Y形、T形），它們的破壞率在明顯提高;二是有的高層建筑有大底盤，對于突然減小裙房頂面與主樓相接處面積的樓層，也就是指相鄰樓層發(fā)生較大的質(zhì)量突變情況時(shí)，會加重破壞程度;三是樓層平面形心偏移重心越大，震害的嚴(yán)重性就越大;四是由于設(shè)置的防震縫寬度太小，所以導(dǎo)致建筑物間發(fā)生碰撞破壞。

2.4 構(gòu)件形式方面

一是在整個(gè)框架結(jié)構(gòu)中，柱的破壞程度通常比梁、板的破壞程度要高;二是混凝土柱上配置螺旋箍筋，當(dāng)層間位移角的數(shù)值較大時(shí)，仍保持核心混凝土完好，柱的抵抗能力仍然較大;三是鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻一般有斜向或交叉裂縫產(chǎn)生;四是如果鋼筋混凝土框架在同一樓層同時(shí)使用了長、短柱，則破壞較嚴(yán)重的是短柱。

3 我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法

3.1 選擇的地理位置必須具有合理性

在不同的建筑施工場地工程地質(zhì)條件下，地震對建筑物也會造成不同的破壞。為此，施工企業(yè)在建設(shè)高層建筑工程項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)先選擇合適的場地，要求場地對抗震是有利的，施工建設(shè)應(yīng)該盡可能的避開抗震不利場地，有利于地震災(zāi)害問題得以減輕。在高層建筑施工前，先要勘察工程地質(zhì)問題，利用科學(xué)的解決措施應(yīng)對地質(zhì)問題。針對不利工程地段來說，需要對那些因場地條件而破壞結(jié)構(gòu)的因素全面考慮。此外，在工程施工地區(qū)除了考慮地震因素的限制，也要進(jìn)一步排除不利場地和危險(xiǎn)性場地作為建筑施工用地。高層建筑在施工過程中，要結(jié)合場地、地基因素等對建筑物能夠承受的抗震破壞作用大小及其特征來分類，遵循不同場地的特點(diǎn)采取合理的抗震對策。結(jié)構(gòu)工程師在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先要提出的就是避開不利地質(zhì)環(huán)境，比如，根據(jù)抗震設(shè)防類別、地基液化等級等幾方面因素來加強(qiáng)地基結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的剛度，使地基液化沉陷現(xiàn)象可以徹底消除。

3.2 分體柱的有效利用

短柱的抗彎承載力大于抗剪承載力，地震的作用下因剪壞而失效，所以不能完全發(fā)揮其抗彎強(qiáng)度。因此，短柱的抗彎強(qiáng)度可以通過人為地削弱，使抗彎強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度相對應(yīng)，或者比抗剪強(qiáng)度略低一點(diǎn)，這樣在地震的作用下，柱子可以先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，呈現(xiàn)延性的破壞狀態(tài)。一般來說，通過利用人為削弱抗彎強(qiáng)度這一辦法可以在柱中沿豎向設(shè)縫，再將短柱分成各柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋在組成分體柱的柱肢之間可以有一些必要的連接鍵設(shè)置其中，使它的初期剛度和后期耗能能力得到明顯的增強(qiáng)。一般連接鍵的形式主要有：預(yù)制分隔板、通縫、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、混凝土連接鍵等。經(jīng)過分析分體柱工作性態(tài)得知：采用分體柱的這一方法盡管能使柱子的抗剪承載力基本保持不變，并稍微降低了抗彎承載力，但是卻能顯著的提高柱子的變形能力和延性，其破壞形態(tài)由剪切型向彎曲型轉(zhuǎn)化，短柱變“長柱”的設(shè)想由此實(shí)現(xiàn)，促使短柱尤其超短柱的抗震性能得到有效的改善。

3.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該遵循的設(shè)計(jì)原則是對稱均勻的原則。從綜合抗震能力概念方面來看，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要衡量建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和承載力對于抗地震作用的大小。高層建筑物在地震時(shí)受到地震作用的大小程度與建筑物的動力特性、剛度合理性、承載力分布、延性等有密切關(guān)系，建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及空間剛度大小決定著高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的大小。為了提高高層建筑物的抗震性能，應(yīng)確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的所有構(gòu)件都有較高的延性，通過屋蓋、現(xiàn)澆樓等方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空間剛度和整體穩(wěn)定性。另外，為了提高結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，還應(yīng)該合理設(shè)置配筋圈梁，進(jìn)而增強(qiáng)高層建筑的抗震性能，結(jié)構(gòu)主要通過延性作用使得建筑物在大地震的作用下有非彈性變形發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗.對我國高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析[J].山西建筑，2018（03）.

[2]聶玉蘭.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中靜力與動力彈塑性的應(yīng)用研究[J].中國西部科技，2017（23）.