超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

梁桂蘭

關(guān)鍵詞：超限高層建筑物結(jié)構(gòu);抗震效果;設(shè)計(jì);性能分析

隨著建筑行業(yè)施工技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，各類新型建筑材料被廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致在城市化建設(shè)過程中建筑物的樓宇高度大幅度增加，超限高層建筑物數(shù)量激增。我國現(xiàn)如今超限高層建筑的數(shù)量名列前茅，但將近八成以上的超限高層建筑分布于7度、8度的中高烈度區(qū)，與此同時，我國也是頻頻發(fā)生地震災(zāi)害的國家之一[1]?？茖W(xué)、合理的抗震設(shè)計(jì)能夠?yàn)榫用竦娜松砗拓?cái)產(chǎn)安全提供保障。基于此，在設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員必須充分意識到地震對于建筑物的危害及影響，并結(jié)合建筑物的實(shí)際施工環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)。

超限高層建筑概述

建筑上的超高層建筑是指高度超過100米的建筑。而超限高層建筑是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)中的一個概念，在工程項(xiàng)目中主要表述為高度超限工程、規(guī)則性超限工程、屋蓋超限工程。高度超限工程是指建筑高度超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的各結(jié)構(gòu)類型的最大適用高度;規(guī)則性超限工程是指房屋高度不超過規(guī)定，但建筑結(jié)構(gòu)布置屬于各規(guī)范規(guī)定的特別不規(guī)則的高層建筑工程;屋蓋超限工程是指屋蓋的跨度、長度或結(jié)構(gòu)形式超出各規(guī)范規(guī)定的大型公共建筑工程;其中最為常見的是高度超限工程和規(guī)則性超限工程。針對超限高層建筑，政府管理機(jī)構(gòu)出臺了相關(guān)文件，規(guī)定必須進(jìn)行抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)及專項(xiàng)審查。

超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析理論

地震作為一種突發(fā)式自然災(zāi)害，是各板塊由于地球運(yùn)行而發(fā)生擠壓碰撞所產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，通常包括火山地震、構(gòu)造地震以及陷落地震三種類型，其中構(gòu)造地震、陷落地震是最為常見。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析以結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。根據(jù)所應(yīng)用的理論不同，將高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論發(fā)展分為靜力理論、反應(yīng)譜理論以及動力理論三個階段。在具體的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際建筑物結(jié)構(gòu)分析其抗震能力，進(jìn)而選擇不同的地震作用分析方法。因此，在進(jìn)行高層建筑的抗震設(shè)計(jì)過程中，采用的結(jié)構(gòu)抗震方案必須能有效抵御地震災(zāi)害，同時能夠減輕地震災(zāi)害發(fā)生時引發(fā)其他因素造成的破壞。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力設(shè)計(jì)分析研究

（一）場地的選擇

高層建筑的場地選擇能夠影響其整體抗震能力，一般可根據(jù)場地特征將工程建設(shè)用地劃分為四個地段：由穩(wěn)定基巖和均勻的中硬土共同組成的有利地段、介于有利和不利之間的一般地段、由軟弱土以及液化土不均勻土層等組成的不利地段以及可能發(fā)生滑坡、地陷、地裂以及泥石流等危險(xiǎn)地段。不利地段對建筑物明顯具有一定的危害性，因此，不利于高層建筑的施工建設(shè)[3]。不同場地地段有不同的巖土結(jié)構(gòu)構(gòu)成，巖土構(gòu)成的差異性對同樣地形條件的地震效果的影響不同，由于巖土的剪切波速具有一定的差異性，不同的土層剪切波速以及覆蓋層厚度能夠影響場地類別的選取。場地類別和設(shè)計(jì)地震分組能夠影響結(jié)構(gòu)的特征周期參數(shù)（Tg），根據(jù)相關(guān)的地震影響系數(shù)曲線得知，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期T為0.1秒～1Tg時，地震對建筑物的影響最大，當(dāng)T在1Tg～5Tg區(qū)間時，地震影響系數(shù)曲線呈下降趨勢。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期固定時，特征周期越大，地震影響系數(shù)越大，所以地震發(fā)生場地特征周期能夠影響地震強(qiáng)烈程度。有利地段比不利地段的剪切波速大，特征周期小，其地震作用相對較小，因此，超限高層建筑的建筑場地應(yīng)該優(yōu)先選擇有利地段以及一般地段，盡量避免選擇危險(xiǎn)地段以及不利地段。

超限高層建筑的處理和分析

對于超限高層建筑，既要計(jì)算因地震作用下內(nèi)力和變形數(shù)據(jù)（同時應(yīng)采用時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算），同時計(jì)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下薄弱層（部位）的彈塑性變形[4]。罕遇地震作用下的彈塑性變形控制能夠有效預(yù)防結(jié)構(gòu)薄弱層遭到破壞。對超限高層建筑在地震作用下內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，應(yīng)采用至少兩個不同力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，并對比計(jì)算結(jié)果。對于結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則的建筑物，結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程應(yīng)該遵循以下原則：對于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，可以適量增加外圍柱的截面、梁截面高度以及墻肢長度等進(jìn)行位移比和周期比的調(diào)整;對于平面凹型布置的結(jié)構(gòu)，可以在其凹槽處增加拉梁以及結(jié)構(gòu)板的方式使其整體結(jié)構(gòu)變得更加規(guī)則;對于細(xì)腰型以及角部重疊型的結(jié)構(gòu)，可以在通過結(jié)構(gòu)板的增加實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)平面規(guī)則化的目標(biāo);對于樓板出現(xiàn)開洞，剛度、樓板尺寸以及承載力突變，以及上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，可通過不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來減少結(jié)構(gòu)的不規(guī)則類型，使其更容易滿足地震作用下內(nèi)力以及變形計(jì)算的相關(guān)要求 [5]。一般來說，高度超限無法避免，但是可以盡量減少不規(guī)則項(xiàng)次，規(guī)避規(guī)則性超限工程。

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力水平

根據(jù)高層建筑抗震性能的相關(guān)參數(shù)要求可以得知，抗震能力作為建筑結(jié)構(gòu)性能的重要組成部分，該性能的水平主要由結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)以及建筑物附屬設(shè)備設(shè)施等共同組成[6]。

在超限高層建筑物整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，針對不同水平的地震作用，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗震能力不同。超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力可以分為以下幾種：第一種，震后結(jié)構(gòu)完好，無需修理，能夠直接投入建筑物的實(shí)際使用;第二種，震后結(jié)構(gòu)基本完好，少數(shù)需要進(jìn)行修補(bǔ)處理，再投入建筑物的實(shí)際使用;第三種，震后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位完好，其余部位出現(xiàn)明顯裂縫，需要進(jìn)行一系列安全措施的補(bǔ)救，才能使用;震后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位發(fā)生相對嚴(yán)重的損壞，其余部位進(jìn)入休眠階段，需要對其進(jìn)行修理、加固，才能投入使用;震后關(guān)鍵部位明顯受損，其余部位嚴(yán)重受損，整體結(jié)構(gòu)尚未倒塌。

因此，在進(jìn)行超限高層建筑物整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)工作人員應(yīng)該選用抗震效果較好的延性結(jié)構(gòu)體系、隔震措施及相關(guān)抗震措施，進(jìn)而降低地震對于建筑的作用，減少地震破壞及影響。此外，不斷提升超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平，加大對新型鋼結(jié)構(gòu)的研究力度，進(jìn)而為建筑結(jié)構(gòu)抗震效果提供保障。

結(jié)束語：

綜上所述，地震是無法提前預(yù)知和避免的，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的設(shè)計(jì)時，工程師們在進(jìn)行超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)該結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗震能力水平等相關(guān)研究數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理、具有較強(qiáng)的安全性的建筑物為人們的生命安全提供保障，進(jìn)而促進(jìn)建筑行業(yè)能夠更好地發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏勇.超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)失效的研究[D].大連理工大學(xué)，2018.

[2]陳宇飛，郝紹金，馬貴紅，袁玉茂.超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)失效分析[J].工程抗震與加固改造，2020，42（06）：175.

[3]吳桂廣，焦柯，賴鴻立，袁輝.超限高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能分析若干問題探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（18）：85-91.

[4]楊駿超.某豎向不規(guī)則超限高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案探討[D].南昌大學(xué)，2020.

[5]李標(biāo).高層建筑全框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].華南理工大學(xué)，2020.

[6]張鋒.高層斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)受力與抗震性能分析[D].西安建筑科技大學(xué)，2021.