高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計淺析

陳倩

（海安市建設(shè)工程施工圖審查室， 江蘇 海安 226600）

目前， 高層建筑是建筑工程的主要形式， 其有效緩解了我國土地資源緊缺的難題。 高層建筑的高度較高， 對抗震性能和穩(wěn)定性的要求較為嚴格。 因此，在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時， 要全面分析其抗震性能， 選用抗震性能好的結(jié)構(gòu)體系， 保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能， 切實維護廣大人民群眾的生命、 財產(chǎn)安全。因此， 研究和探討高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

高層建筑是指10 層及10 層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑。 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)可采用框架、 剪力墻、 框架-剪力墻、 板柱-剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。高層建筑應(yīng)注重概念設(shè)計， 重視結(jié)構(gòu)的選型和平、 立面布置的規(guī)則性， 合理選擇結(jié)構(gòu)體系。 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)是豎向的懸臂結(jié)構(gòu)， 其軸向力和彎矩是由豎向荷載和水平荷載造成的， 但水平荷載卻起著決定性作用。 因為建筑自重和樓面活荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值， 僅與建筑高度的一次方成正比； 而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、 以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力， 與建筑高度的兩次方成正比。 另外， 在設(shè)計中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要求結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度， 結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。 在抗震設(shè)計時，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能， 做到小震不壞、 中震可修、 大震不倒。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要原則

一是建筑結(jié)構(gòu)合理性原則。 在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時， 應(yīng)根據(jù)建筑物的真實情況， 合理選擇結(jié)構(gòu)體系。 通常而言， 在確定整體結(jié)構(gòu)后， 要運用系統(tǒng)化方法分析結(jié)構(gòu)情況， 使整體結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力、 剛度、 延性。 對結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件來說， 需依照“強柱弱梁、 強剪弱彎、 強節(jié)點弱桿件及強柱根” 的原則來設(shè)計， 且承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。 在發(fā)生地震時， 一些薄弱部位極易出現(xiàn)坍塌， 應(yīng)采取措施提高其抗震能力。

二是不同建筑環(huán)節(jié)抗震防線原則。 就抗震防線來說， 在高層混凝土建筑中， 要根據(jù)工程環(huán)節(jié)的不同開展不同的資源配置和工程設(shè)計。 可采取分級的方式設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)， 設(shè)置多道抗震防線， 就算地震真的發(fā)生了， 也可有效避免發(fā)生連帶問題。

強烈地震后往往伴隨余震， 假如僅設(shè)置了單一的一道防線， 建筑極易因損傷積累而倒塌。 也可將構(gòu)件間強弱關(guān)系作為彈性變化有效關(guān)系， 當主體構(gòu)件受到巨大沖擊后， 突破了第一道防線， 因第一道防線和后面防線間具有一段受力距離， 所以第一道防線不會直接影響第二道防線， 從而可確保建筑物安全。

三是針對薄弱部位抗震設(shè)計原則。 針對部分距離較大、 具有強弱關(guān)系的位置， 應(yīng)運用科學合理的方式進行不同抗震設(shè)計。 在設(shè)計前要開展受力實驗， 根據(jù)各構(gòu)件承載能力的不同， 在充分考慮的基礎(chǔ)上準確判斷局部構(gòu)件能否滿足荷載承重能力的要求。

在反復確定局部構(gòu)件穩(wěn)定性的同時， 不可因增強了局部構(gòu)件的穩(wěn)定性而忽視整體構(gòu)件的穩(wěn)定性。 簡言之， 局部構(gòu)件的剛性程度、 受力效果、 承載力的協(xié)調(diào)狀況應(yīng)結(jié)合不同的構(gòu)建形式適度進行不同的調(diào)整。 此外， 現(xiàn)場施工人員應(yīng)確保局部構(gòu)件受力均勻， 不得因個別部位具有較強承載力， 便降低該部位的強度， 這樣一來則會加大其他部位的荷載， 在發(fā)生地震時， 整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會受到一定影響。

3 影響高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的因素

一是設(shè)計人員的因素。 在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中， 設(shè)計人員處于主體位置， 其運用的設(shè)計理念、 設(shè)計方法、 抗震設(shè)計經(jīng)驗等會對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震效果造成很大程度的影響。

二是設(shè)計技術(shù)的因素。 在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中， 傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)主要依靠人力， 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)主要運用BIM先進信息技術(shù)， 可大大提升抗震效果。 而在實際進行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時， 要開展必要計算， 在實際計算分析的基礎(chǔ)上，才可保證有更加合理的設(shè)計方案。

三是工程資料的因素。 準備工程資料是開展整個項目設(shè)計工作的前提， 在進行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中， 需結(jié)合設(shè)計需求參數(shù)、 項目主體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求、 項目施工區(qū)域發(fā)生地震情況、 項目材料使用參數(shù)等相關(guān)資料數(shù)據(jù)實施設(shè)計， 只有在全面采集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上， 才可完成高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作。

4 優(yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方法

4.1 合理選擇建筑位置和結(jié)構(gòu)體系

第一， 對我國地震災害實際發(fā)生情況進行全面分析， 不同位置的建筑物對地震作用力的承受能力不同， 最根本原因是由建筑物所在區(qū)域的不同地質(zhì)條件決定的。 因此， 在選擇建筑項目地址時要開展環(huán)境和地震災害評估工作， 并考慮下面兩個方面的問題： 一是選擇在地質(zhì)環(huán)境抗震能力強的區(qū)域開展高層建筑項目建設(shè)， 為確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)安全性奠定堅實基礎(chǔ)。 特別是要著力避免建筑場地存在滑坡、 泥石流等自然現(xiàn)象， 避免地處地震斷裂帶等環(huán)境。 若在建設(shè)過程中不能避開軟弱性、 濕陷性、 液化性等特殊土層和土壤， 要提前根據(jù)地基處理有關(guān)規(guī)程要求進行合理設(shè)計和加固處理。 此外， 還應(yīng)探查清楚建筑物地下的土層厚度、 分布、 性狀和種類等情況， 認真做好高層建筑的地質(zhì)勘查報告。 在對高層建筑的地基進行處理后， 還要鞏固和加強上部和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性，同時， 通過分項系數(shù)法模擬地震力對各建筑物受力構(gòu)件的沖擊情況， 全面系統(tǒng)地提高各構(gòu)件抗震的能力。二是在高層建筑選址時， 需盡量防止選址周邊高危險性建筑物， 如變電站、 石油存儲建筑、 化工廠等， 一定要和這些高危建筑物保持適當安全距離。

第二， 適當調(diào)整整體構(gòu)件與部分構(gòu)件間的關(guān)系，以防止由于局部問題影響高層混凝土建筑的承載力和穩(wěn)定性。 應(yīng)確保在規(guī)劃時結(jié)構(gòu)在合理范圍內(nèi)具有變形空間， 同時合理控制贅余度和內(nèi)力重分配性能。 在這些環(huán)節(jié)得到有效控制后， 一旦突發(fā)地震， 就算個別構(gòu)件出現(xiàn)問題， 其余構(gòu)件還可繼續(xù)發(fā)揮抗震作用。 在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系規(guī)劃中， 一定要合理控制結(jié)構(gòu)的剛度和強度， 尤其應(yīng)注重節(jié)點穩(wěn)定性， 提高底層柱支撐的強度， 確保延性滿足抗震實際要求。

4.2 合理布置建筑平、 立面

在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時， 要按照對稱性、合理性和均勻性原則， 科學有序地開展平、 立面布置工作。 通常情況下， 高層建筑在水平地震波作用下各樓層都會明顯產(chǎn)生偏移。 具體而言， 結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)彎曲變形、 剪切變形和扭轉(zhuǎn)變形。 結(jié)構(gòu)不同所采取的控制方式也會不同， 控制方式主要有縮減梁距離、 縮減柱距離、 增加已有周邊抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度、 應(yīng)用雙重抗側(cè)力體系、 設(shè)置剛臂、 設(shè)置豎向支撐等。 設(shè)計人員可通過交錯式設(shè)計方法以增加建筑的跨度， 增強整體結(jié)構(gòu)抗震能力， 避免薄弱層位置產(chǎn)生拉伸影響， 避免造成較大變形和位移， 從而使整體結(jié)構(gòu)抗震能力符合國家相關(guān)規(guī)定標準。

4.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時， 應(yīng)仔細篩選方案， 確保最終方案能完全滿足目前我國相關(guān)規(guī)定標準， 只有如此， 才可保證主體結(jié)構(gòu)空間充足， 確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)免受負面因素影響， 在長時間內(nèi)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)能相對保持平衡狀態(tài)。 設(shè)計人員一定要仔細計算混凝土結(jié)構(gòu)在不同作用下所受影響的準確數(shù)據(jù)， 同時按照結(jié)果對構(gòu)件的整體布局方式進行重新設(shè)計， 在兼顧科學性的前提下， 對建筑內(nèi)部設(shè)施受力狀況進行協(xié)調(diào)和優(yōu)化， 使建筑平衡受力， 提高建筑承受外力的能力， 破解豎向重力導致的系列問題， 從而實現(xiàn)原有規(guī)劃中剛度的設(shè)計標準。 同時， 要確保結(jié)構(gòu)具有合理性， 防止發(fā)生其他復雜情況， 從而增強高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)實際抗震效果。

此外， 設(shè)計人員應(yīng)對地震災害記錄信息進行深入研究， 將目前建筑標準與地震信息內(nèi)容相結(jié)合， 選擇一些抗震性強的方案運用到各設(shè)計環(huán)節(jié)中， 提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計實際效果。 針對一些細節(jié)問題， 設(shè)計人員要進行精細化處理。 例如， 對填充墻及隔墻盡量采用輕質(zhì)材料以減輕結(jié)構(gòu)自重， 主要是因為地震效應(yīng)與建筑的重量成正比， 重量大了， 不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大， 還由于重心高， 結(jié)構(gòu)在地震作用下的傾覆力矩大， 故減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。

為滿足規(guī)范對混凝土柱軸壓比的限值要求， 柱截面往往較大， 在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱。 短柱延性差， 地震時很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌， 可采取以下措施提高短柱的延性和抗震性能。一是選用螺旋復合箍筋， 顯著提升柱的抗剪承載力，增強柱子的抗震性能。 二是采用分體柱， 人為削弱短柱的抗彎強度， 在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分成2 個或4 個柱肢組成的分體柱。 采用分體柱的方式盡管無法較好地提高柱子的抗剪性能， 但可明顯提高柱的抗變形能力， 有助于保證高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

4.4 有效控制地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

通常來說， 發(fā)生地震時， 建筑豎直方向和水平方向產(chǎn)生的作用力都很強， 同時會產(chǎn)生建筑內(nèi)部扭轉(zhuǎn)。事實上也正是由于建筑物在多個方向作用力量的重壓下， 遭受到極為嚴重的破壞。 如出現(xiàn)房屋傾斜、 房屋倒塌等。 因此， 設(shè)計人員在進行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時， 應(yīng)對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)予以高度重視。 設(shè)計人員在設(shè)計中應(yīng)對各層的扭轉(zhuǎn)修正系數(shù)分別計算， 計算時應(yīng)主要控制周期比、 位移比。 若在規(guī)劃建設(shè)初期設(shè)計人員沒有實踐性參考資料， 應(yīng)在規(guī)劃前選擇減弱最小位移帶點剛度和測量位移部分的剛度， 以確保在整體環(huán)境中結(jié)構(gòu)位移一致性。 另外， 所有建筑細節(jié)設(shè)計都要符合國家相關(guān)標準， 若發(fā)現(xiàn)任何設(shè)計不合理， 一定要在第一時間由設(shè)計人員予以調(diào)整， 以最大限度地降低因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的不良影響。

4.5 合理設(shè)置結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)各層級結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是為了在發(fā)生地震災害后， 模擬高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)承受的沖擊、 各種受力影響， 同時進行有序計算， 主要計算主梁變形情況和墻體承載能力等內(nèi)容， 對設(shè)計方案進行定量分析。 要嚴格控制主體結(jié)構(gòu)的變形量， 防止在發(fā)生地震時高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)變形。 在對結(jié)構(gòu)主體承載力進行計算時， 應(yīng)對地震情況下延性位移和間位移角進行高度關(guān)注， 準確獲取主要構(gòu)件變形數(shù)值， 對構(gòu)件的構(gòu)造要求予以明確， 并保證建筑場地條件優(yōu)良， 從而減少地震時地震能力的輸入， 有效降低地震破壞高層建筑的程度。 設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期， 應(yīng)提前對高層建筑具體位置、 場地地形條件、 建筑質(zhì)量檢測、 周邊環(huán)境、 建筑建設(shè)工藝、 建筑所需材料等內(nèi)容進行詳細深度了解， 并在此基礎(chǔ)上掌握關(guān)鍵點， 融入專項技能和建設(shè)理念， 有效設(shè)置基礎(chǔ)選型，設(shè)計完成建筑結(jié)構(gòu)樣板。 針對部分較為關(guān)鍵的位置，設(shè)計人員要詳細進行說明標注， 不斷提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震效果。

設(shè)計人員在研究復雜的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)綜合受力情況時， 需應(yīng)用建筑彈性模量理論、 應(yīng)力理論等力學知識， 以考察建筑目前受力情況能否滿足建筑抗震標準。 在全面掌握這些標準后， 才可為高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力的后續(xù)設(shè)計奠定堅實的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。 通常來說， 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)會涉及到軸壓比、 剪重比、 剛重比、 周期比、 位移比等參數(shù)， 設(shè)計人員的結(jié)構(gòu)模式在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)預期效果， 因此， 需設(shè)計人員通過復雜計算， 使高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)具有一定抗震能力， 全面提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和合理性。

4.6 設(shè)置多道防線共同抗震

地震發(fā)生時， 往往會發(fā)生火災、 余震以及水患等很多次生災害， 在突遇沖擊荷載或偶然荷載的情況下， 僅依賴一道安全防御體系無法確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的安全， 甚至還會造成整個體系失效， 因此，為減少和防止由于部分或個別構(gòu)件遭到損壞而導致建筑整體強度的損毀， 在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)時， 往往會選用兩個及以上的抗震體系， 共同來強化對建筑的防護， 還要結(jié)合個別抗側(cè)力部件配筋率低和施工分布不均等情況進行優(yōu)化改進， 最大限度地防止發(fā)生某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗側(cè)移值太大的情況。 由于地震產(chǎn)生的作用力較大， 因此在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時需使其具有一定變形能力， 以減弱地震作用力，同時更需加強對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的抗震能力設(shè)計， 不能因薄弱環(huán)節(jié)損壞而對建筑整體抗震功能造成不利影響。 為確保建筑整體抗震能力， 應(yīng)將建筑設(shè)計和建筑抗震設(shè)計有機結(jié)合， 使構(gòu)件間形成整體效應(yīng)， 各部件間能共同產(chǎn)生作用一起抵御地震造成的破壞力， 以起到良好的抗震效果。 另外， 建筑物各部件間可靠連接也可在很大程度上增強建筑物的抗變形能力和抗震能力。 在設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時， 作為側(cè)向受力構(gòu)件的剪力墻， 可在很大程度上確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的冗余度， 在設(shè)計中最好選用“大分散、 小集中” 的方式。 此外， 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件要具有較強的剛度和延性， 要構(gòu)建完整的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)屈服體系， 這樣一來， 在地震損毀第一道防線后， 第二道、 第三道防線還能進行防御保護。

5 結(jié)語

總而言之， 可通過采取合理選擇建筑位置和結(jié)構(gòu)體系； 合理布置建筑平、 立面； 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； 有效控制地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)； 合理設(shè)置結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)； 設(shè)置多道防線共同抗震等多項有效措施優(yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計， 更新設(shè)計理念， 堅持科學合理的原則， 優(yōu)化抗震功能， 提高設(shè)計質(zhì)量， 不斷滿足人們?nèi)找嫣岣叩纳钯|(zhì)量要求， 確保人民群眾生命財產(chǎn)安全， 最大限度地降低地震帶來的經(jīng)濟財產(chǎn)損失， 確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠。