高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題及其對策研究

陳意燃　趙靈雨

摘 要：在當(dāng)前的社會發(fā)展中，建筑工程是城市建設(shè)中極為重要的內(nèi)容。目前，我國城市人口數(shù)量大幅增長，城市空間壓力隨之不斷增加，為有效節(jié)約利用土地資源，合理配置城市空間資源，高層混凝土建筑已經(jīng)成為建筑的主流。隨著建筑樓層的增加，設(shè)計人員要調(diào)整思路，提高高層建筑的設(shè)計質(zhì)量，有效提高建筑的抗震性能。設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)抗震是極為關(guān)鍵的質(zhì)量管理點，對建筑使用的安全性以及使用壽命具有極為重要的影響。如果建筑抗震結(jié)構(gòu)的合理性較低，那么在建筑投入使用的過程中會出現(xiàn)許多質(zhì)量問題，甚至引發(fā)極為嚴(yán)重的安全事故，對用戶的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，要重視混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，不斷優(yōu)化施工技術(shù)和施工流程，促進高層建筑行業(yè)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震設(shè)計;問題;對策

中圖分類號：TU97 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.004

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計直接決定了高層建筑的抗震性能和效果，為保證用戶生命財產(chǎn)安全，必須將高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計作為關(guān)鍵切入點，按照高層建筑的建設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，合理落實高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。同時，采取有效防范措施，強化高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和整體安全性，為居住安全提供保證。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念設(shè)計的意義

概念設(shè)計理論是理論設(shè)計和實驗研究的結(jié)合。在概念設(shè)計的后續(xù)發(fā)展中，大量的設(shè)計思想被融入到工程實踐的實驗環(huán)節(jié)中，形成了概念設(shè)計的基本原則。根據(jù)這些基本原則，進行相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑的總體施工布局。

高層建筑結(jié)構(gòu)的受力情況非常復(fù)雜，動力本身具有不確定性的特點，在地震發(fā)生時更為明顯。對地震災(zāi)害和建筑結(jié)構(gòu)的理解存在一些局限性。許多建筑材料的性能在安裝和施工過程中很容易發(fā)生變化。在應(yīng)用前，大型模擬地震波試驗會出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)偏差，許多高層建筑的地震數(shù)據(jù)應(yīng)用不明確，許多高層建筑的地震質(zhì)量令人擔(dān)憂[1]。

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計理念以數(shù)值計算為主，并增加了實踐經(jīng)驗元素。概念設(shè)計的結(jié)合比固定的分析和計算更重要，促進了抗震設(shè)計概念，滿足不同地理位置和地區(qū)的高層建筑的設(shè)計需求。在這一原則下，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要注重抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)規(guī)范和性能標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。更重要的是，在標(biāo)準(zhǔn)方面，對結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計要求也非常嚴(yán)格，必須按照結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，并結(jié)合不同地區(qū)相應(yīng)抗震標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求，以確保高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的應(yīng)用[2]。

2 地震對高層混凝土建筑的破壞方式分析

2.1 剪切力破壞分析

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，建筑物會受到剪切力的破壞并產(chǎn)生許多裂縫。剪切裂縫是指建筑結(jié)構(gòu)在剪力和彎矩共同作用下，由于剪應(yīng)力過大而產(chǎn)生的裂縫。

剪切裂縫形成的原因主要包括以下幾個方面：第一，如果建筑結(jié)構(gòu)的彎矩和綜合強度超過承載范圍，就會產(chǎn)生裂縫，建筑截面也會產(chǎn)生相應(yīng)的水平彎曲裂縫;第二，高層混凝土建筑在地震中往往要承受更大水平地震力，此時，建筑結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生傾斜方向的剪力，導(dǎo)致裂縫;第三，水平鋼筋承載力不足時，高層混凝土建筑的剪切裂縫會大大增加，同時出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。

2.2 彎曲失效分析

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，高層混凝土建筑不僅會發(fā)生剪切破壞，而且會發(fā)生彎曲破壞。彎曲破壞的主要原因是高層混凝土建筑會受到地震的水平力，建筑結(jié)構(gòu)難以平衡，從而增加了高層混凝土建筑主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。在地震多發(fā)地區(qū)，主震和余震都會影響高層混凝土建筑主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果地震持續(xù)時間較長，在地震力的反復(fù)作用下，高層混凝土建筑的主體結(jié)構(gòu)將受到嚴(yán)重破壞。當(dāng)豎向縱筋屈服時，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)將受到破壞，導(dǎo)致彎曲倒塌。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中存在的問題分析

3.1 抗震意識不足

高層建筑施工中，抗震知識是必不可少的，這就要求施工人員、管理人員和技術(shù)人員具有一定的抗震意識，可以由具有豐富施工經(jīng)驗和抗震理論知識的人員進行設(shè)計，以確保施工效果。

然而，由于從設(shè)計藍圖到現(xiàn)場施工的過程中種種原因，很難在現(xiàn)場中將執(zhí)行抗震性能的相關(guān)要求落實到位，例如抗震錨固長度不滿足相關(guān)抗震等級的要求、箍筋加密區(qū)長度不夠等[3]。

3.2 城市建筑規(guī)劃缺乏科學(xué)性

近年來，高層住宅越來越多，在一些危險地區(qū)活躍的斷層軟弱土層中，高層建筑的超前規(guī)劃和基礎(chǔ)選型的科學(xué)性和合理性缺乏，對地基造成破壞，嚴(yán)重影響了高層建筑的抗震性能，甚至導(dǎo)致安全問題。

在抗震規(guī)劃和準(zhǔn)備方面，體系建設(shè)不完善，對各類特殊建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)定缺乏更加詳細(xì)的內(nèi)容，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能不理想，難以采取有效的建筑控制措施，這對高層建筑的抗震性能構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

3.3 缺乏技術(shù)資源

高層建筑抗震設(shè)施的利用率有限，對高層建筑的整體質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，有必要考慮現(xiàn)場人員、材料質(zhì)量和設(shè)備水平等因素對施工的影響。但是，在技術(shù)資源缺乏、技術(shù)水平不足的情況下，很容易出現(xiàn)設(shè)計隱患，難以充分發(fā)揮高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果，保證居民生活環(huán)境的安全[4]。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化對策

4.1 勘察設(shè)計是抗震的基礎(chǔ)

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中存在的普遍問題亟待改進，有必要采取全過程貫穿的方式，將抗震設(shè)計理念落實到施工的各個階段，采取有效措施，提高抗震設(shè)計的有效性。分析和研究可行性方案，按照勘察標(biāo)準(zhǔn)、勘察要求等，在對比分析中選擇合適的區(qū)域建設(shè)高層建筑。

勘察單位要提出合理的選址建議，掌握工程地質(zhì)的條件要求，包括已建區(qū)域內(nèi)的地貌、地形、地質(zhì)特點等，全方位分析場地、地層等各項地質(zhì)條件，關(guān)注地質(zhì)條件中可能影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計效果的各項因素。通過細(xì)致勘察，分析擬建場地的地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土工程特性、地下水埋藏條件等，并做好記錄，研究和探討不良地質(zhì)作用的成因、規(guī)模分布情況、發(fā)展趨勢，根據(jù)相關(guān)資料評價場地穩(wěn)定性，掌握高層建筑地基基礎(chǔ)的分類，結(jié)合水土對建筑材料可能形成的腐蝕性等影響進行分析評價[5]。

要明確具體的工程項目勘察要求，評價建筑地基的巖土工程，包括分析巖土的性質(zhì)、地基類型、巖土均勻性、地基的基礎(chǔ)形式、地基處理、基坑支護和不良地質(zhì)作用的防治等。著重查看不良地質(zhì)的危害程度及作用趨勢，采取有效整改方案和措施，將高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計貫穿前期勘察、初步設(shè)計和具體施工等各個環(huán)節(jié)，優(yōu)化抗震設(shè)計性能。

4.2 優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)的功能及體系

高層混凝土建筑在當(dāng)今社會中得到了廣泛應(yīng)用，促進了建筑行業(yè)的發(fā)展。但是，高層混凝土建筑施工對綜合施工效果提出了更加多元化的要求，設(shè)計人員要優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，在減少工程造價的同時，提高建筑的抗震性能。因此，建筑企業(yè)要從優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)體系入手，改良高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)。

例如，某些與剪力墻平面相交的框架梁縱筋錨固長度在剪力墻寬度范圍內(nèi)不足時，未采取增加梁縱筋錨固長度的施工措施。高層住宅地下室頂板作為嵌固端時，未在頂板與首層結(jié)構(gòu)板高差處做加腋處理，導(dǎo)致抗震時無法傳遞水平地震力，從而嚴(yán)重影響建筑剛度及承重能力。

4.3 抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的有效應(yīng)用

高層建筑抗震性能的實現(xiàn)必須以每個構(gòu)件為基礎(chǔ)。目前，我國對建筑關(guān)鍵部位構(gòu)件的抗震構(gòu)造制定了明確的標(biāo)準(zhǔn)，例如最小配箍率、最小配筋率、最大軸壓比等，高層建筑的整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化、多層次的超靜定結(jié)構(gòu)，抗震結(jié)構(gòu)也要設(shè)置多種抗震防線[6]。

在多重設(shè)防情況下，一旦發(fā)生地震，部分構(gòu)件提前受損，其余已安裝構(gòu)件仍能很好地支撐并繼續(xù)發(fā)揮作用，承受地震災(zāi)害和豎向荷載造成的壓力。因此，控制高層建筑結(jié)構(gòu)體系，將地震能量消耗作為一種防御措施，可以保證抗震結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的最大應(yīng)用能力。

4.4 保證建筑材料的質(zhì)量

建筑材料的質(zhì)量是決定高層建筑建設(shè)質(zhì)量和性能效果的關(guān)鍵，材料構(gòu)件的延性耗能始終是抗震性能好壞的關(guān)鍵因素，高層建筑工程的建設(shè)施工中，控制結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和施工質(zhì)量，要合理選擇建筑材料，保證施工材料符合一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。高層建筑工程是一項系統(tǒng)、大規(guī)模的項目，其中應(yīng)用到大量的建筑材料，涉及種類繁多，因此，選擇材料時需要考慮多方面因素，達到強化高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

施工過程中，要根據(jù)現(xiàn)場工程建設(shè)狀況及環(huán)境、地質(zhì)條件等，選擇能夠滿足抗震需求的可靠質(zhì)量的施工材料，尤其是在我國的部分區(qū)域內(nèi)存在地震災(zāi)害多發(fā)的情況，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中要選擇復(fù)合材料，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，提高對地震災(zāi)害的抵御能力，盡可能地減少建筑整體重量，防范地震災(zāi)害。

4.5 重視抗震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

發(fā)生地震時，往往會產(chǎn)生垂直扭轉(zhuǎn)以及水平扭轉(zhuǎn)等作用力，對高層混凝土建筑造成破壞，導(dǎo)致建筑構(gòu)件開裂，甚至導(dǎo)致建筑倒塌。因此，施工人員要高度重視抗震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，提高位移部位的質(zhì)量，確保位移范圍與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相符合。

此外，設(shè)計人員要解決抗震結(jié)構(gòu)的割裂問題，采取合理措施，大幅提高抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率及設(shè)計質(zhì)量。

5 工程案例

某建筑工程為某市地標(biāo)式高層建筑物，其高層建筑為框架—核心筒結(jié)構(gòu)的商業(yè)辦公樓，高度為115 m，地上26層，地下5層，1～5層樓板局部大開洞，2層存在躍層柱，上部結(jié)構(gòu)樓層位移比>1.2，5層層高11 m，導(dǎo)致剛度突變，為超限結(jié)構(gòu)。

設(shè)計單位進行了建筑結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計超限分析，性能目標(biāo)定為C級：小震時完好、無損傷，中震時輕度損壞，大震時中度損壞。為確保樓板大開洞處結(jié)構(gòu)的整體性能，適當(dāng)增加樓層大洞口周邊樓板厚度和配筋率，采用雙層雙向配筋，構(gòu)造上增設(shè)放射筋、角筋等進行加強。

中震彈性分析時，躍層柱接近屈服，為提高躍層柱的變形能力，采用箍筋全高加密等措施，但在施工過程中，由于種種原因，未必能將設(shè)計上的構(gòu)造措施落實到位，導(dǎo)致箍筋未能加密、放射筋布置不合理等問題。

SATWE第1振型變形圖如圖1所示。

5.1 優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案

高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)的科學(xué)性會直接影響建筑的性能。在項目方案階段，設(shè)計人員要優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的合理布置，以實現(xiàn)提高抗震性能的目標(biāo)。在合理優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案的背景下，建筑即使遭受地震外力的影響，也能正常發(fā)揮抗震性能，將損害程度降到最低。

現(xiàn)階段，工程項目施工時間緊張，方案設(shè)計師的結(jié)構(gòu)知識淺薄，嚴(yán)重缺乏抗震概念，方案施工圖很難落地，后期施工階段存在各種大跨、超限、異形的不規(guī)則建筑。因此，設(shè)計人員要針對高層建筑的不足之處進行合理設(shè)計，配合結(jié)構(gòu)設(shè)計人員調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的合理布置，減少超限的情況，盡可能設(shè)計合理、規(guī)則、安全、適用的建筑。

5.2 抗震性能目標(biāo)設(shè)計

在實際設(shè)計過程中，抗震性能設(shè)計主要是完成抗震目標(biāo)設(shè)計，通過抗震目標(biāo)設(shè)計完成整個工程設(shè)計，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”，分析了本工程抗震性能的設(shè)計目標(biāo)。

小震彈性設(shè)計：要求建筑物完好無損，無須維修即可使用。在實際設(shè)計過程中，關(guān)鍵部件設(shè)計為無損設(shè)計，不同垂直部件完成無損設(shè)計，耗能部件設(shè)計為無損設(shè)計。

中等地震彈塑性設(shè)計：要求建筑物只受到輕微損壞，經(jīng)過全面修復(fù)后可再次使用。在實際抗震設(shè)計中，普通豎向構(gòu)件的損傷程度較輕，耗能構(gòu)件的損傷程度較輕。

大震塑性設(shè)計：要求建筑物能夠承受地震后的嚴(yán)重破壞。

6 結(jié)語

綜上所述，高層建筑設(shè)計施工過程中，方案設(shè)計人員要提高結(jié)構(gòu)的基本概念知識，盡可能配合結(jié)構(gòu)專業(yè)人員設(shè)計規(guī)則、合理、有利于抗震的設(shè)計方案，堅持以人為本的中心思想，始終將工程的安全性能擺在重要位置。施工階段應(yīng)加強與設(shè)計單位的溝通，了解工程的重點、難點，提高結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件的施工質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)的抗震意識，將設(shè)計上的抗震構(gòu)造措施落實到位，為高層混凝土建筑的安全性及穩(wěn)定性提供有效保障。

參考文獻

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