高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)探究

劉嘉君

我國(guó)處于亞歐板塊和太平洋板塊的交接地點(diǎn)，屬于地震多發(fā)國(guó)家。我國(guó)很多城市處于地震帶上，發(fā)生地震災(zāi)害的可能性較高。如果對(duì)于高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，一旦產(chǎn)生地震，便會(huì)有損壞情況發(fā)生，更甚者導(dǎo)致整個(gè)建筑發(fā)生坍塌，造成的后果不堪設(shè)想。唐山大地震和汶川地震就是血淋淋的例子。因此，必須要對(duì)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以充分重視，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者在進(jìn)行高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮建筑整體的抗震性能，通過(guò)科學(xué)合理的分析和研究，設(shè)計(jì)出有效提升建筑物抗震性能的結(jié)構(gòu)，達(dá)到“小震不動(dòng)、中震可修、大震不倒”的效果，更好確保建筑的穩(wěn)定性與安全性。

但在建筑抗震設(shè)計(jì)實(shí)際工作中仍然存在諸多方面問(wèn)題，因此本文將針對(duì)現(xiàn)階段高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)正確科學(xué)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探究，為相關(guān)工作提供參考借鑒。

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，如選擇存在泥石流、滑坡以及處于地震斷裂帶、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） 不注重建筑體型對(duì)稱及規(guī)則性設(shè)計(jì)問(wèn)題。建筑體型包括建筑的平面形狀和主體的空間形狀的設(shè)計(jì)。震害表明，許多平面形狀復(fù)雜，如平面上的外凸和凹進(jìn)、側(cè)翼的過(guò)多伸懸、不對(duì)稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。唐山地震就有不少這樣的震例。平面形狀簡(jiǎn)單規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的破壞，有的甚至保持完好無(wú)損。沿高度立體空間形狀上的復(fù)雜和不規(guī)則在地震時(shí)都會(huì)造成震害。特別是在建筑結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變的部位更易產(chǎn)生破壞。

（三）不注重結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。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。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，如短柱等，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。

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設(shè)計(jì)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。地震對(duì)建筑的破壞是從地基開(kāi)始。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，要盡量避開(kāi)地質(zhì)松軟，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的場(chǎng)地和地基。不應(yīng)在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域上施工建造高層建筑。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)。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。

（二）重視建筑方案的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。建筑方案設(shè)計(jì)是否考慮抗震要求，從總體上起著直接的控制主導(dǎo)作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很難對(duì)建筑設(shè)計(jì)有較大的修改。所以在建筑方案、初步設(shè)計(jì)階段中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者就應(yīng)參與考慮抗震的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行合理的布置，使建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布均勻協(xié)調(diào)，使建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗震承載力得到較大的改善和提高;如果建筑方案設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮抗震要求，那可能就會(huì)給結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)較多困難，使結(jié)構(gòu)的抗震布置和設(shè)計(jì)受到建筑布置的限制，甚至造成設(shè)計(jì)的不合理。有時(shí)為了提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力，不得不增大構(gòu)件的截面或配筋用量，造成不必要的投資浪費(fèi)。由此可見(jiàn)，建筑方案設(shè)計(jì)是否考慮抗震要求，對(duì)整個(gè)建筑起著很重要的作用。

（三）進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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)橹亓俊⒅匦钠x等因素，在地震作用力的影響下會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量與剛度不對(duì)稱的扭轉(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。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，異形結(jié)構(gòu)容易發(fā)生較大位移現(xiàn)象，所以盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體型，盡可能少做不對(duì)稱的側(cè)翼和過(guò)長(zhǎng)的伸翼，盡量不要選擇L形、十字形等結(jié)構(gòu)。必要時(shí)，針對(duì)較為復(fù)雜或者平立面不規(guī)則較突出的高程混凝土建筑，應(yīng)考慮增加防震縫的設(shè)計(jì)。一般情況下，應(yīng)盡可能地使平面和空間的形狀簡(jiǎn)潔、規(guī)則，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，剛度均勻變化，防止結(jié)構(gòu)剛度和承載力突變。

（四）設(shè)置多道抗震防線。設(shè)置出多道的防震線就是指在抗震結(jié)構(gòu)的體系，受地震作用影響，一些延性好的構(gòu)件在起初要達(dá)到屈服，扮演第一道抗震防線的作用，對(duì)于其他的部件是需要在第一道抗震防線屈服之后才能夠進(jìn)行屈服的，這樣就能夠形成第二、第三等多道抗震防線，與此同時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)體系為保證結(jié)構(gòu)的抗震安全發(fā)揮重要的作用和功效。

（五）充分運(yùn)用隔震等高延性結(jié)構(gòu)抗震。高延性結(jié)構(gòu)可有效吸收地震能力，減輕地震對(duì)高層建筑的破壞。目前隨著建筑抗震設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，隔震措施越來(lái)越多被設(shè)計(jì)工作者在高烈度地區(qū)開(kāi)始使用，如阻尼器等，消耗地震產(chǎn)生時(shí)釋放的作用力，大大的削弱了地震造成的破壞。以此提高高層建筑的抗震能力，確保高層建筑可接受最大限度的變形而不至于發(fā)生坍塌。

（六）提高短柱抗震性能。通常情況下，高層混凝土建筑的短柱的抗剪能力，要弱于其抗彎性能。這造成了當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，建筑物收到地震力的作用，短柱還沒(méi)有展現(xiàn)其抗彎性能，就已經(jīng)因?yàn)槌惺艿募羟辛Ω哂谄涑惺苣芰Γa(chǎn)生破壞，最終導(dǎo)致高層混凝土建筑產(chǎn)生損壞。因此，在進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效的措施確保短柱的抗剪與抗彎性能向匹配，確保其延性要求，這樣就可以大幅度增強(qiáng)其抗震性能，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全。改善短柱抗震性能措施可以有以下幾種（1）可適當(dāng)加大混凝土的強(qiáng)度，從而減小軸壓比，減小柱子截面尺寸，提高剪跨比，使短柱變?yōu)殚L(zhǎng)柱。（2）選用螺旋復(fù)合箍筋。充分考慮強(qiáng)剪弱彎以及剪壓比進(jìn)行框架柱設(shè)計(jì)，保持其抗剪能力，在強(qiáng)柱弱梁限值標(biāo)準(zhǔn)下，設(shè)計(jì)柱子端部的抗彎能力。強(qiáng)柱弱梁發(fā)生強(qiáng)剪弱彎過(guò)程中的短柱，剪切性破壞不會(huì)產(chǎn)生，通過(guò)復(fù)合螺旋箍筋，能夠使柱子抗沖剪能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，增加短柱抗震能力。（3）選用分體柱。相較于抗剪性能，在抗彎性上短柱的能力更強(qiáng)，但是地震發(fā)生時(shí)，通常抗彎能力尚未出現(xiàn)之時(shí)，地震產(chǎn)生的剪切作用已經(jīng)形成很大破壞。所以對(duì)于短柱抗彎能力可以合適的減少，確保其保持與抗剪強(qiáng)度相一致，這樣才能使地震發(fā)生時(shí)，短柱能夠更好的保證抗彎曲屈服作用。通?？刹捎梅煮w柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用分體柱，雖然不能將柱子的抗剪性能增強(qiáng)，然而在使其抗彎能力降低的同時(shí)，促進(jìn)柱子抗變形能力不斷增強(qiáng)，使短柱轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)柱，增強(qiáng)了短柱的抗震效果。

（七）加強(qiáng)建筑物內(nèi)部的薄弱部分。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)，避免在地震作用下過(guò)早的屈服產(chǎn)生較大變形損壞而影響整體建筑抗震性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于那些薄弱部位應(yīng)該乘以內(nèi)力增大系數(shù)，要及時(shí)對(duì)薄弱部分進(jìn)行加強(qiáng)，采取有效措施增強(qiáng)其強(qiáng)度和剛度，這樣就可以極大提高其承載力。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，關(guān)系著城市居民的自身安全。通過(guò)對(duì)其抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大的提升人民的生活質(zhì)量，減少地震發(fā)生時(shí)所造成的損失。相關(guān)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和了解，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算和科學(xué)的合理的分析，設(shè)計(jì)出符合抗震要求的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)。