高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題研究

何 濤 馬 青

（青島旅游集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市人口不斷增加，為了實(shí)現(xiàn)人居環(huán)境的要求，不斷涌現(xiàn)很多高層建筑。高層建筑在實(shí)現(xiàn)人類居住需求的同時(shí)也存在不少需要解決的問題，其中之一是存在的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。由于高層建筑受到較大的振動(dòng)或地震影響，為了確保人居環(huán)境的舒適以及建筑安全，務(wù)必高度重視其抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問題

1.1 不正確地選擇建筑場址

有關(guān)單位在選擇高層建筑物地基的情況下，務(wù)必把握地基所處的氣候狀況、自然環(huán)境、地理位置等，確保萬無一失，盡可能地選擇平坦開闊、牢固、扎實(shí)的地基。可是，不少單位常常以松散土壤、軟土等作為地基，如果出現(xiàn)地震，那么建筑物較易坍塌或下陷，從而在一瞬間破壞建筑物的主體構(gòu)造，使人們的生命受到嚴(yán)重威脅。

1.2 不合理地設(shè)計(jì)建筑物結(jié)構(gòu)

在出現(xiàn)地震的情況下，首先受到嚴(yán)重破壞的是建筑物的主體框架結(jié)構(gòu)，然后是建筑物重點(diǎn)受力支柱出現(xiàn)變形。延性結(jié)構(gòu)機(jī)制的理論是在建筑物其他位置轉(zhuǎn)嫁地震受到的破壞性，從而使非彈性形變形成，使結(jié)構(gòu)的次要構(gòu)件對地震形成的能量進(jìn)行消耗，從而顯著保護(hù)建筑物的整體結(jié)構(gòu)。因?yàn)檠有越Y(jié)構(gòu)抗震性能是建筑物抗震結(jié)構(gòu)的主要依托，具備較強(qiáng)的延性能力，具備理想的抗震效果，所以工程技術(shù)工作者在設(shè)計(jì)建筑物結(jié)構(gòu)情況時(shí)應(yīng)注重建筑物延性的提升。然而，在操作實(shí)踐中，往往難以理想地設(shè)計(jì)建筑物的延性結(jié)構(gòu)，如果沒有有效地處理好相關(guān)情況，那么造成地震，形成破壞而未曾向延性構(gòu)件傳遞即消失，從而喪失保護(hù)性能，因而難以確保建筑物消耗地震能力，最終破壞建筑物。

1.3 建筑物高度不達(dá)標(biāo)

針對建筑物的高度來說，我國頒布了不少制度與規(guī)范，而且要求各建筑單位務(wù)必嚴(yán)格貫徹實(shí)施。然而，依舊存在一部分建筑單位為了實(shí)現(xiàn)最大化的利益而存在僥幸心理，屢次違反規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行建設(shè)時(shí)肆意將建筑物的高度提升，超出我國的相關(guān)要求或規(guī)定，從而大大降低了建筑物的抗震性能，在地震出現(xiàn)的情況下較易大面積、大范圍地破壞建筑物。

1.4 建筑應(yīng)用不合理的材料

建筑單位采購者需要根據(jù)我國要求的指標(biāo)合理地選擇建筑物應(yīng)用的一系列材料，確保符合建筑工程，從而實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)以及建設(shè)質(zhì)量的提升[1]。并且當(dāng)前高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)常應(yīng)用混凝土核心筒技術(shù)，如果有些單位應(yīng)用不合理的材料和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么會(huì)導(dǎo)致建筑物形成彎曲變形或者是坍塌的嚴(yán)重后果。

1.5 建筑抗震設(shè)計(jì)缺少足夠的強(qiáng)度

當(dāng)今，國內(nèi)根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程技術(shù)工作者需要仔細(xì)把握與認(rèn)真貫徹實(shí)施其中的要求、規(guī)定，確保設(shè)計(jì)出的建筑抗震強(qiáng)度指標(biāo)符合相應(yīng)的規(guī)范，且采取有效的對策來提升建筑抗震設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最終使“大震不倒、中震能修、小震不壞”的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有的建筑單位的設(shè)計(jì)強(qiáng)度往往缺少足夠的強(qiáng)度。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)對措施

2.1 正確選擇建筑場址

高層建筑的安全受到其周邊地基、場地環(huán)境等要素的制約。為此，在選擇建筑場地時(shí)，開展環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害評估顯得非常關(guān)鍵，特別是應(yīng)該積極地避免使建筑物面臨地震斷裂帶、滑坡、泥石流等自然環(huán)境。如果在進(jìn)行建設(shè)時(shí)不能夠避開特殊（軟弱性、液化性、濕陷性）的土層或土壤[2]，應(yīng)事先根據(jù)地基處理技術(shù)的有關(guān)規(guī)范，科學(xué)地設(shè)計(jì)與加固地基。除此之外，務(wù)必明確建筑物下面土層的性狀、厚度、分布和類別等，做好高層建筑的地質(zhì)勘查報(bào)告，對于經(jīng)過地基處理的高層建筑而言，還需要整體性地鞏固與強(qiáng)化其上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)部分，且結(jié)合分項(xiàng)系數(shù)法在建筑物的一系列受力構(gòu)件中適度地模擬地震力，從而實(shí)現(xiàn)一系列構(gòu)件抗震性能的綜合性提升。

2.2 選擇適宜的建筑結(jié)構(gòu)體系

在設(shè)計(jì)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)體系不僅屬于受力體系，而且也屬于荷載的傳遞體系，與建筑物的安全密切相關(guān)。在開始設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)全面地思考和探究建筑物施工材料的選擇、內(nèi)部的應(yīng)用功能、四周的場地條件和環(huán)境等要素，這是由于在地震出現(xiàn)的情況下，各個(gè)建筑物由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，因此其結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)也存在區(qū)別。

通常重點(diǎn)應(yīng)用框架、剪力墻、剪力墻和框架相統(tǒng)一模式的高層建筑結(jié)構(gòu)體系。這幾種模式具備各自的缺陷和優(yōu)勢[3]。其中，剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于具備較高的承載性能和較大的側(cè)向剛度，基于水平力影響下的側(cè)移比較小，具備優(yōu)良的整體性能，而其缺陷在于結(jié)構(gòu)本身種類和體積較大，在布置空間時(shí)缺少方便性和靈活性，難以適應(yīng)大空間的布置需要?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可以靈活地布置室內(nèi)空間，而其缺陷在于不是非常適宜在高層建筑中應(yīng)用。并且，框架結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)是剪切變形的柔性結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)理想的抗震效果[4]。為此，當(dāng)今高層建筑中較少應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)今，高層混凝土建筑的抗震設(shè)計(jì)大都應(yīng)用剪力墻和框架相統(tǒng)一的模式，即有效地體現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢作用，確?；ハ嗤晟?、協(xié)作分工，將剪力墻添置在比較薄弱的框架結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)建筑物本身抗震能力與承載性能的提升。

然而，也面臨相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，這是由于剪力墻跟框架的剛度差異性較大，在碰到外力的一瞬間會(huì)形成程度不同和大小不一的位移，因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)密切注意兩者的變形協(xié)調(diào)。建構(gòu)高層混凝土建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也需要堅(jiān)持實(shí)用、簡約、規(guī)則的原則，確保整體結(jié)構(gòu)體系具備充足的變形與承載性能，這樣建筑中的各個(gè)組成部分能夠相互配合與協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)體系的共同支撐，這就要求技術(shù)工作者在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合橫向與豎向結(jié)構(gòu)承載性能的區(qū)別，加固處理建筑的薄弱之處以及確保布局的合理。像是高層住宅建筑需要比較多的墻體構(gòu)件，適宜使用的結(jié)構(gòu)是純剪力墻；針對大型綜合體建筑選用筒體結(jié)構(gòu)就可以有效地實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用功能；而針對超限和超高層大型建筑物，最為理想的選擇是鋼結(jié)構(gòu)。

總之，高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持的基本原則是選用適宜的結(jié)構(gòu)種類，以盡量地實(shí)現(xiàn)建筑的應(yīng)用功能。

2.3 實(shí)施合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

務(wù)必合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是影響高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要做到以下3 點(diǎn)。1）實(shí)施對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。非對稱結(jié)構(gòu)由于偏離重心、重量等要素影響，在地震時(shí)會(huì)形成震動(dòng)和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這非常容易破壞建筑物，從而大大地降低其抗震能力。為了防止這種情況的形成，務(wù)必實(shí)施對稱結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)。2）實(shí)施平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]。實(shí)踐表明，在地震影響下，異性結(jié)構(gòu)較易形成大位移的情況，因此盡可能地避免選用十字形、L 形結(jié)構(gòu)。因此，高層混凝土建筑需要堅(jiān)持實(shí)用和簡單的原則，以圓形、矩形、方形的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為宜，這樣能夠尤為明確地傳遞地震力。3）實(shí)施豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高層混凝土建筑實(shí)施豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注重均勻性，一般應(yīng)用三角形、梯形、矩形的豎向結(jié)構(gòu)立面形狀。

2.4 設(shè)計(jì)多道抗震防線

在地震出現(xiàn)時(shí)，一般會(huì)形成次生災(zāi)害問題，例如水患、火災(zāi)、余震等，在瞬間受到破壞沖擊荷載的影響下，為了確保高層混凝土建筑物的安全，只構(gòu)建一道安全防御體系難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的效果，有些情況下會(huì)造成整體體系失去效能，為了避免或降低由于個(gè)別位置、構(gòu)件受到破壞而影響整體建筑物的安全性，一般會(huì)選擇至少2 個(gè)結(jié)構(gòu)的防震體系，從而大大地強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)建筑物防護(hù)效能。針對地震出現(xiàn)時(shí)會(huì)形成比較大的作用力問題，需要確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備相應(yīng)的變形性能，以此對地震作用力進(jìn)行消減，并且尤為關(guān)注建筑物薄弱之處的抗震性能，不能由于損壞薄弱之處而使整體建筑的抗震性能受影響。事實(shí)上，有效統(tǒng)一建筑設(shè)計(jì)與建筑抗震設(shè)計(jì)的方式即為了確保結(jié)構(gòu)的整體性，這樣，結(jié)構(gòu)間形成一種整體效應(yīng)，各個(gè)部件間的共同作用可以很好地防范和減小地震破壞性，從而實(shí)現(xiàn)滿意的抗震成效[6]。當(dāng)然，各部件間的穩(wěn)定連接也可以提升建筑抗變形性能與抗震性能。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，作為豎向受力構(gòu)件的剪力墻可以確保構(gòu)件的冗余度，較為適宜地選用“小集中和大分散”模式。除此之外，還需要主受力構(gòu)件具備較為理想的剛度與延性，為此，非常有必要?jiǎng)?chuàng)建完善的結(jié)構(gòu)屈服體系，這樣一來，在受到地震損壞首道防線時(shí)，還具備保護(hù)作用的第二道和第三道防線。

3 結(jié)語

綜上所述，高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的發(fā)展依舊任重道遠(yuǎn)，基于我國不斷提升的綜合國力，科技水平也持續(xù)提升，我們對發(fā)展高層建筑充滿信心。當(dāng)前，盡管注重節(jié)能與環(huán)保是高層建筑設(shè)計(jì)的主導(dǎo)方向，但是安全仍然是人們高層建筑的首選，因此，對高層建筑的抗震設(shè)計(jì)勢在必行，相信在不久的將來，會(huì)有更好的抗震設(shè)計(jì)方案，從而為人類的發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。