探索高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

劉智文

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

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

概念設(shè)計(jì)的思路是將理論與實(shí)際計(jì)劃相聯(lián)系，最后形成概念的基本原理。根據(jù)該基本原理，對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行總體的抗震規(guī)劃。由于樓層越高，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)就越是困難，其結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算也就變得越不穩(wěn)定，而且在發(fā)生地震時(shí)，這種不確定因素就會(huì)被激發(fā)出來。從本質(zhì)上來說，由于對(duì)地震產(chǎn)生的年代和破壞機(jī)制認(rèn)識(shí)不夠透徹，且有些建筑在建造時(shí)會(huì)受到氣候的影響，在進(jìn)行地震仿真時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，所以在進(jìn)行地震仿真時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量不完整的資料，這就給高層建筑帶來了巨大的危險(xiǎn)。大多數(shù)的概念設(shè)計(jì)問題都是以計(jì)算資料為基礎(chǔ)，再加上一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。眾所周知，概念的設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)上作用要大于對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算。正因如此，在高層建筑中，抗震構(gòu)造總是備受關(guān)注。防震結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與一般的建筑物不同之處，在于可以避免由計(jì)算錯(cuò)誤而造成更大的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

最重要的是，在對(duì)高層建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)和要求是非常高的，設(shè)計(jì)師們一定要在結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且要因地制宜對(duì)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行多種多樣的更新，從而更加安全和可靠。

2 抗震概念性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的原則

建筑物的地震反應(yīng)有很多方面的需求，例如：建材的組合，材質(zhì)的特性，以及部件的組合與延伸。對(duì)于房屋的脆弱部位，也要采用強(qiáng)度較高的材質(zhì)和較強(qiáng)的抗震構(gòu)造（圖1）。另外，也要考慮到不同的防震建筑，要用合適的材料來加固。正如在框架與管式組合的結(jié)構(gòu)中，必須要有足夠的耐震能力，而且需要更好地調(diào)節(jié)其剪力墻與框架。這種方法可以讓框架-筒體更牢固，在地震時(shí)能夠抵抗震動(dòng)，把剛體與撓性的結(jié)構(gòu)緊密的融合起來，從而達(dá)到適度緩沖地震的能力。這也是為什么建筑能夠承受更高等級(jí)的震動(dòng)的原因，不同的防震結(jié)構(gòu)，可以將它們完美的結(jié)合在一起，起到相輔相成的效果[2]。

圖1 抗震構(gòu)造柱

2.1 整體性

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要從建筑的整體來進(jìn)行設(shè)計(jì)，就像低層建筑和高層建筑都需要考慮的，把每個(gè)結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起，從而在地震時(shí)可以將地震能量分擔(dān)到每一個(gè)結(jié)構(gòu)中，降低各種結(jié)構(gòu)單體的受力，在這個(gè)過程中，還要保證建筑的每一個(gè)材料和結(jié)構(gòu)都有足夠的強(qiáng)度和韌性，這樣才能有更好的抗震效果。

2.2 抗震結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)時(shí)不僅需要考慮建筑整體的構(gòu)狀，還需要考慮各種抗震結(jié)構(gòu)的清晰明了。在考慮整體之后，還必須依靠結(jié)構(gòu)清晰的原則，這樣才能在這個(gè)龐大的設(shè)計(jì)體系里面維持各種構(gòu)件的功能性，對(duì)結(jié)構(gòu)之間的功能有一個(gè)良好的連接，和遇到問題時(shí)能夠迅速弄清問題出在哪里，保證了建筑抗震的便攜性和有效性[3]。

2.3 使建筑具備剛性和穩(wěn)定性

在建設(shè)施工中還需要考慮建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也就是對(duì)構(gòu)件剛性和柔性之間轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的考慮。在考慮這個(gè)問題時(shí)，第一就是要思考構(gòu)成整體建筑的構(gòu)件之間是否能有效減緩地震的能量并且本身的結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞和改變。這是一棟高層建筑最基本的設(shè)計(jì)思路和必要功能。

2.4 建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性和均勻性

不僅有上面的考慮，還需要對(duì)一棟建筑的防側(cè)移功能進(jìn)行測(cè)試和設(shè)計(jì)。一個(gè)建筑中不僅有垂直防塌陷要求，另一個(gè)不可忽視的是建筑的防側(cè)移要求。因?yàn)楦邔咏ㄖ幕A(chǔ)和低層建筑相比不可避免的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)有所薄弱，所以保證建筑直立要求后，也要滿足建筑的防側(cè)移要求，使得在設(shè)計(jì)時(shí)考慮更多的規(guī)則性和均勻性，這是在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)不可忽視的一點(diǎn)[4]。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

3.1 建筑結(jié)構(gòu)的平面布置

在高層建筑抗震措施中，建筑結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計(jì)常常是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，在建筑的布局中，必須進(jìn)行創(chuàng)造性的、合理的規(guī)劃。規(guī)則結(jié)構(gòu)能夠精確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的影響，從而使其具有更好的抗震能力。而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的平面布局較為復(fù)雜，其地震作用難以評(píng)價(jià)。因此，為了確保整體的抗震能力，應(yīng)采取結(jié)構(gòu)規(guī)律性的平面布局。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)的體系選擇

在高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)-剪力墻、剪力墻、圓筒結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)抗震的首選結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)高層建筑的層數(shù)較少時(shí)，其最合適的構(gòu)造形式為框架式；在同一幢樓高相同的情況下，框架結(jié)構(gòu)、半柱剪力墻結(jié)構(gòu)是最合適的。但是，許多地震具有較高的強(qiáng)度、較大的破壞性、較長(zhǎng)的時(shí)間和較頻繁的往復(fù)次數(shù)，將對(duì)高層建筑的損害和人身安全構(gòu)成威脅。這三類建筑物在地震中的重大損傷，將對(duì)其所承受的震害能力產(chǎn)生難以估計(jì)的損害。一旦第一道防線被攻破，就會(huì)對(duì)后面的防御造成很大的影響。建筑的最小化不但可以避免大樓的坍塌，而且也會(huì)使整體的抗震設(shè)計(jì)發(fā)生變化。所以，在整個(gè)抗震設(shè)計(jì)過程中，高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)是必不可少的。

3.3 結(jié)構(gòu)薄弱層

許多情況下，高層建筑的樓層會(huì)不會(huì)發(fā)生突變，直接影響到建筑物的軟弱層抗震能力。當(dāng)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不再是連續(xù)的情況下，由于橫向剛度分布的不均勻，樓層的承載力較弱，使受壓部位逐漸增多。所以，要準(zhǔn)確地判斷出薄弱層的變形程度，就必須有針對(duì)性的、有意識(shí)的判斷和分析。

4 抗震結(jié)構(gòu)概念的應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概括

某建筑工程的高層建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)為10層，工程建筑的高度是30m，按照規(guī)定的使用年限50年進(jìn)行建造，工程建筑所在地區(qū)的風(fēng)力壓力平均為800N/m2，并且這個(gè)地區(qū)的地震防護(hù)等級(jí)為6級(jí)，建筑抗震性設(shè)計(jì)為C等級(jí)。

4.2 中震下防震性能測(cè)定

在進(jìn)行防震性能的測(cè)定中，不可避免的需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)定并且定下在中震狀況下的防震標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)建筑的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定。在進(jìn)行測(cè)定建筑穩(wěn)定性的影響因數(shù)中，利用SATWE軟件來測(cè)定并分析其影響因數(shù)最大值。中震情況下，這個(gè)軟件測(cè)定方法和小震的方法差不多，但是將影響因數(shù)最大值改為小震的2.8倍，并且按照理想情況下取消內(nèi)力之間的調(diào)整系數(shù)，就是將受到強(qiáng)力的框架柱和受到弱力的框架梁以及受到強(qiáng)力的框架梁和受到弱力的框架柱這兩種極端情況取消，直接將框架之間的系數(shù)調(diào)整為4級(jí)。在其他的系數(shù)不變的前提下進(jìn)行中震下的防震測(cè)定。

4.3 中震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能測(cè)定

首先要考慮框架柱的結(jié)構(gòu)測(cè)定，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)在地震中受到剪切力和框架之間的減緩能量現(xiàn)象，若是在地震中框架柱結(jié)構(gòu)還是處于彈性狀態(tài)，那么此性能合格。之后是框架梁結(jié)構(gòu)，在中震的狀況下框架梁處于彈性狀態(tài)，并且僅有一少部分達(dá)到最大彈性范圍，因此可以見到在中震狀況下，框架梁滿足設(shè)計(jì)的要求。

4.4 合理選擇建筑的材料以及結(jié)構(gòu)

為了確保建筑的材料良好，且結(jié)構(gòu)具備合理性，在確定建筑選材時(shí)，應(yīng)該首先考慮到建筑的防震性能，使其能夠維持建筑的整體穩(wěn)定性。在進(jìn)行選材時(shí)，考慮到不同地區(qū)的實(shí)際需求，選擇具有更高承載能力以及抗彎能力的材料類型（圖2），在建筑的縱向支撐結(jié)構(gòu)中，通過運(yùn)用更高承載能力的支撐材料，可以確保建筑物具有更好的抗震效果，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以應(yīng)用三角結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，從而提升綜合抗震效果。

圖2 抗震減震材料

5 提高建筑物抗震能力的有效措施

5.1 選擇有利場(chǎng)地

地震災(zāi)害是由多種因素引起的，而地震發(fā)生的地點(diǎn)是一個(gè)重要因素。在不同的工程地質(zhì)情況下，不同的地點(diǎn)，不同的震害對(duì)房屋的損害有很大的差異。所以，在施工場(chǎng)地選址時(shí)，要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體要求，盡量選取對(duì)建筑物的防震性能更有利的區(qū)域，如果無法避免，就采取相應(yīng)的防震加固措施，避免在地震災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域內(nèi)建設(shè)會(huì)造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損害的建筑物。

5.2 優(yōu)化平立面布置

建筑物的平面外形要有規(guī)律，立面外形要簡(jiǎn)潔。建筑物的動(dòng)態(tài)特性主要是由其建筑的規(guī)劃與構(gòu)造安排決定的。在建筑物設(shè)計(jì)中，只要設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)潔、合理，按照地震規(guī)律進(jìn)行結(jié)構(gòu)的排列，就可以基本地確保建筑的抗震能力。在結(jié)構(gòu)上，每個(gè)單獨(dú)的單位和整體的結(jié)構(gòu)都要做到質(zhì)量剛性的對(duì)稱，使得它們的中心和中心的偏差非常少，或者是全部一致。另外，在垂直方向上，結(jié)構(gòu)的剛性和重量也要一致，只有簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱結(jié)構(gòu)才能精確地進(jìn)行抗震分析。

5.3 建筑結(jié)構(gòu)抗震體系的合理選擇

在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何正確地選取結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)，是進(jìn)行地震反應(yīng)時(shí)必須認(rèn)真研究的問題。另外，房屋的抗震設(shè)計(jì)方案的選取也是影響其安全、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵問題[5]。

（1）為了防止建筑物的結(jié)構(gòu)和部件的損壞使整個(gè)房屋的抗震性能下降，從而產(chǎn)生整體的損壞。在建筑物的設(shè)計(jì)中，一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是：在建筑物的受力、變形和協(xié)調(diào)性以及沒有顯著弱點(diǎn)的情況下，能夠很好地在地震時(shí)起到很好的作用。就算有些部件已經(jīng)脫離了工作狀態(tài)，剩余的部件仍能經(jīng)受住負(fù)荷，避免結(jié)構(gòu)失去平衡和破壞。

（2）在建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)里面，必須有清晰的、正確的傳震路線。清晰的傳遞路線，確保各部件在結(jié)構(gòu)的抗震加固中能夠高效地銜接與承重。在此基礎(chǔ)上，要盡量保證構(gòu)件在垂直方向上的受力，盡量減小垂直不連續(xù)性的發(fā)生。

（3）建筑物的構(gòu)造系統(tǒng)必須具有足夠的剛性和強(qiáng)度，并且具有良好的剛性布局和均勻的布局。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到結(jié)構(gòu)在地震作用下的局部破壞和變形，從而使結(jié)構(gòu)受到較大的破壞。所以，在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固，并采用適當(dāng)?shù)募庸谭椒?，以達(dá)到合理的強(qiáng)度與剛性，從而達(dá)到整體的剛度均衡，增強(qiáng)建筑物的整體地震性能。

5.4 對(duì)結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?/h3>

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照強(qiáng)弱協(xié)同的設(shè)計(jì)原理，適當(dāng)?shù)靥岣邏Α⒅裙?jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，同時(shí)減少梁及彎、拉力中心等構(gòu)件的受力。在此基礎(chǔ)上，考慮到構(gòu)件的受力性，應(yīng)盡量減小構(gòu)件的受力，以防止構(gòu)件過早地?cái)嗔?。同時(shí)，在特定的規(guī)范中，設(shè)計(jì)者應(yīng)在適當(dāng)?shù)南薅戎畠?nèi)，對(duì)每個(gè)構(gòu)件的載荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

5.5 對(duì)結(jié)構(gòu)的自重進(jìn)行弱化

當(dāng)基礎(chǔ)條件不變時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮房屋的抗震性能。只要將結(jié)構(gòu)重量減小，就可以適當(dāng)?shù)奶岣邩菍訑?shù)量，從而達(dá)到更好的造價(jià)控制，而在軟粘土基礎(chǔ)上，效果會(huì)更為顯著。此外，房屋的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)地震的效果產(chǎn)生直接的影響，當(dāng)建筑物的數(shù)量太多時(shí)，其震害就會(huì)更大。通過采用輕型材料降低結(jié)構(gòu)自身的重量，使其達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)重量與層數(shù)的比例進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以確保結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能和結(jié)構(gòu)的安全性能。

6 結(jié)語

綜上所述，由于我國(guó)城市人口不斷增長(zhǎng)，城市化建設(shè)不斷加快，高層建筑成為當(dāng)下時(shí)代發(fā)展的主流建筑趨勢(shì)。對(duì)于城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，必須要對(duì)其抗震概念設(shè)計(jì)進(jìn)行有效融入，只有這樣，高層建筑物在遭受到突發(fā)地震災(zāi)害時(shí)，才能夠有效保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。