分析抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

齊能斌

（洛陽(yáng)智中建筑設(shè)計(jì)院有限公司，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，建筑工程在國(guó)內(nèi)的發(fā)展空間也隨之不斷擴(kuò)大。因此，針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求也在不斷提升。高層建筑是目前我國(guó)現(xiàn)代建筑工程最為主要的發(fā)展趨勢(shì)，其對(duì)應(yīng)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑物安全性的有效保障。地震作為一種自然現(xiàn)象，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的挑戰(zhàn)性，即人為因素?zé)o法有效避免地震現(xiàn)象，但高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步提高建筑的抗震性，以此保證高層建筑的安全性能。因此，對(duì)于高層建筑的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)不斷進(jìn)行基本的概念設(shè)計(jì)以及原則確定，由此科學(xué)合理地在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用抗震設(shè)計(jì)。

1 高層建筑中的抗震概念設(shè)計(jì)

在當(dāng)前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的布局中，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠充分提高高層建筑物的抗震功效，能夠有效對(duì)高層建筑物進(jìn)行生命財(cái)產(chǎn)的保證。而對(duì)于概念設(shè)計(jì)相關(guān)理論的有效保證，要求其理論設(shè)計(jì)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，在概念設(shè)計(jì)的思想中，應(yīng)嚴(yán)格融入相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，形成概念設(shè)計(jì)的基本原則，并且將對(duì)應(yīng)的原則進(jìn)行融合運(yùn)用，以此對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)。對(duì)高層建筑的發(fā)展情況而言，伴隨著城市化的進(jìn)程加速，人們對(duì)高層建筑的需求也愈來(lái)愈大，而由地震等自然災(zāi)害造成的建筑損失也較大。因此，人們對(duì)高層建筑安全性以及抗震性的要求也逐漸加大，并深刻認(rèn)識(shí)到建筑抗震概念設(shè)計(jì)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的重要性。

在目前高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了進(jìn)一步提高建筑物的抗震性，從建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和相關(guān)原則出發(fā)，在不斷提高建筑抗震性能的要求下對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行嚴(yán)格的分析研究，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列模擬實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)高層建筑的抗震性能進(jìn)行合理的定量以及定性分析。與此同時(shí)，在對(duì)高層建筑中抗震概念設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)不斷對(duì)國(guó)內(nèi)外的部分抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析，以確定我國(guó)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方案[1]。對(duì)于抗震概念設(shè)計(jì)，其應(yīng)合理掌握對(duì)應(yīng)的原則與方法，基于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，以其對(duì)應(yīng)的規(guī)則性為基礎(chǔ)，利用概念方法對(duì)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法解決的問(wèn)題進(jìn)行規(guī)則化分析研究，從而做出正確合理的判斷，以充分提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震概念設(shè)計(jì)[2]。

2 高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)的原則

2.1 抗震概念設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性

針對(duì)高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)，其簡(jiǎn)單性主要指的是在地震作用下，建筑的結(jié)構(gòu)具有較為明確以及直接的傳力途徑。在當(dāng)前的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范中，對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的要求，即結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖以及存在合理的地震作用傳遞途徑。只其建筑具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，才能夠保證能夠準(zhǔn)確的對(duì)其結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力和模型進(jìn)行分析，同時(shí)精準(zhǔn)把握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)于抗震性能設(shè)計(jì)的薄弱點(diǎn)，對(duì)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，避免其薄弱點(diǎn)出現(xiàn)[3]。

2.2 抗震概念設(shè)計(jì)的規(guī)則性和均勻性

針對(duì)當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)，其中對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)的相關(guān)理念設(shè)計(jì)應(yīng)從豎向布置和立面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其相關(guān)剖面的規(guī)則性。對(duì)于高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中不僅語(yǔ)言掌握剖面布置的規(guī)則性，還應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度進(jìn)行考慮，保證其變化均勻性，從而進(jìn)一步保證對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)傳力途徑、側(cè)向剛度以及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)承載力的突然改變，以期防止高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在豎向的樓層建筑或者是少數(shù)的樓層建筑過(guò)程中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)[4]。

2.3 高層建筑的剛度和抗震能力

對(duì)于高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)，其主要考察的是在地震等自然災(zāi)害作用下，相關(guān)建筑對(duì)于其地震的震感以及作用力的抵抗性。而高層建筑的抗震能力大小與其建筑結(jié)構(gòu)的剛度是具有一定關(guān)聯(lián)性的，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確制定結(jié)構(gòu)的剛度，繼而對(duì)其建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置，能夠在一定程度上充分抵御任意方向的地震作用。一般情況下，建筑過(guò)程中沿著平面設(shè)計(jì)的兩個(gè)主軸方向都應(yīng)該設(shè)計(jì)有一定程度的剛度以及抗震能力，這就要求應(yīng)盡可能地對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的形態(tài)進(jìn)行保持，即有效控制建筑結(jié)構(gòu)的變形，以此充分降低地震作用對(duì)當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)的沖擊性影響。以此有效避免對(duì)應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生更大的變形，從而造成重力二階效應(yīng)，引起高層建筑結(jié)構(gòu)的失衡，從而造成一定程度的建筑結(jié)構(gòu)損傷，并且嚴(yán)重影響了高層建筑的抗震性能[5]。

2.4 高層建筑的結(jié)構(gòu)整體性

對(duì)于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要是對(duì)樓層的整體性進(jìn)行統(tǒng)一的安排設(shè)計(jì)，其中樓蓋的整體性是高層建筑結(jié)構(gòu)整體性的重要部分。保持高層建筑的樓蓋整體性，等同于利用具有聚集作用的水平隔板，能夠有效幫助慣性力在各個(gè)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)中的傳遞作用。因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中?？箓?cè)力子結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備一定的抗震性能。若是豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)未能均勻分布，其結(jié)構(gòu)布置也相對(duì)復(fù)雜，那么將極容易造成抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平變形特征差異。而這種情況的出現(xiàn)就對(duì)樓蓋的整體性統(tǒng)一工作具有一定的要求和依賴性，即在此時(shí)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，樓蓋成為保證抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)順利進(jìn)行協(xié)同工作的必要條件[6]。

3 抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，抗震性能作為其建筑安全性的一大保證，與建筑的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。高層建筑質(zhì)量的分布與其對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度都能夠在一定程度上影響建筑結(jié)構(gòu)，并且也是建筑抗震能力的重要因素。在建筑抗震設(shè)計(jì)中，高層建筑整體的一個(gè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布以及對(duì)應(yīng)的剛度較容易出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，尤其是在地震等自然現(xiàn)象的突發(fā)狀態(tài)下，建筑的剛度中心以及質(zhì)量的中心難以重合，遇到地震扭轉(zhuǎn)力較大的情況，極容易造成建筑的扭轉(zhuǎn)，破壞高層建筑的結(jié)構(gòu)，從而造成人員的傷亡。因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，就應(yīng)該對(duì)其質(zhì)量以及剛度中心的重合實(shí)行有效措施進(jìn)行保持，以此提高建筑的抗震性，而較為簡(jiǎn)單整潔的設(shè)計(jì)能夠在一定程度上幫助建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度中心的重合[7]。

3.2 高度和寬度的設(shè)計(jì)

就目前高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其抗震性能的大小與建筑的高、寬度比具有一定的相關(guān)性，當(dāng)高層建筑的高、寬比過(guò)大時(shí)，建筑的抗震性就會(huì)相對(duì)降低，在地震發(fā)生時(shí)建筑的損壞程度也較大。因此，在對(duì)高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保建筑的高、寬度比值較適中。尤其是在地震情況下，為了有效保證建筑的穩(wěn)定性，應(yīng)合理設(shè)計(jì)建筑的高、寬度比，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期就應(yīng)確定一定嚴(yán)格的比例。特別是處于地震高發(fā)區(qū)域的高層建筑，應(yīng)嚴(yán)格限制高層建筑的整體高度，以防止地震時(shí)建筑振幅過(guò)大，進(jìn)一步提高整個(gè)地區(qū)建筑的抗震性。

3.3 變形縫與縱橫墻的設(shè)計(jì)

在高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，變形縫以及縱橫墻能夠有效保證抗震性能的穩(wěn)定性。變形縫主要包括了伸縮縫、沉降縫以及防震縫。伸縮縫即溫度縫，通常情況下會(huì)將較長(zhǎng)的建筑分為好幾個(gè)短單元，以此充分分散溫度應(yīng)力對(duì)建筑的破壞程度。沉降縫則指的是在建筑地基的土質(zhì)較差或者建筑高度、負(fù)荷以及結(jié)構(gòu)與其相鄰部分差別較大時(shí)，建筑的沉降程度都具有一定的差異。而這類的差異都將導(dǎo)致建筑物的部分薄弱部分出現(xiàn)開(kāi)裂等情況，以此影響建筑物的結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及抗震性能。因此，對(duì)于建筑適當(dāng)?shù)奈恢脩?yīng)合理設(shè)置建筑物的垂直間隙，將其建筑分成各個(gè)單元，即將其建筑分為各個(gè)單元而能夠保證建筑相鄰沉降的縫隙就是沉降縫。防震接縫主要是能夠?qū)⑿螤顝?fù)雜、結(jié)構(gòu)不規(guī)則的建筑物分為形狀簡(jiǎn)單并且結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則的獨(dú)立單元，從而提高建筑的抗震性[8]。

4 美洲馬那瓜高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)案例

通過(guò)對(duì)1972年12月22日美洲馬那瓜的突發(fā)性強(qiáng)烈地震情況進(jìn)行建筑樓的數(shù)據(jù)分析，其中，高18層的馬那瓜美洲銀行大樓只是出現(xiàn)了一些裂縫，而同在市區(qū)的15層馬那瓜中央銀行卻嚴(yán)重受損，因此，對(duì)馬那瓜美洲銀行大樓的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，其結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則對(duì)稱，運(yùn)用了許多防震設(shè)計(jì)思想，相比之下，中央銀行平面以及豎向上都不規(guī)則。而在對(duì)其相關(guān)建筑進(jìn)行的震后調(diào)查以及結(jié)構(gòu)分析中，可以得到中央銀行的塔樓結(jié)構(gòu)存在非常嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。即樓層三層以上的北面和南面多數(shù)柱子抗震性能較低，率先破損，而其在水平地震的作用下，柔長(zhǎng)的樓板產(chǎn)生了一定的豎向運(yùn)動(dòng)，而美洲銀行的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體呈現(xiàn)平面以及豎向結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻?qū)ΨQ，具有多道防線以及剛?cè)峤Y(jié)合的概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的承載力、剛度和延性都相對(duì)較理想。

5 抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑中的具體應(yīng)用

5.1 科學(xué)選擇建筑建設(shè)地址

在地震等自然災(zāi)害的突發(fā)情況面前，其預(yù)警系統(tǒng)還未完善，高層建筑抗震概念的相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)對(duì)應(yīng)的建筑建設(shè)地點(diǎn)從前實(shí)際發(fā)生地震的次數(shù)和情況進(jìn)行地震突發(fā)可能性的預(yù)估，依據(jù)其相關(guān)數(shù)據(jù)選擇次數(shù)減少或者是未發(fā)生過(guò)地震的區(qū)域作為建設(shè)地址，并且對(duì)其地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查。相對(duì)于高層建筑周圍的環(huán)境選取，其應(yīng)該選擇地質(zhì)條件相對(duì)堅(jiān)硬的地區(qū)或者是周邊缺少大型湖泊、河流的地區(qū)作為施工地點(diǎn)，以此有效保證高層建筑能夠具備一定的抗震基礎(chǔ)。并且在一定情況下應(yīng)選擇黏土作為其施工土質(zhì)，并且嚴(yán)格確定其檢測(cè)距離，做好參數(shù)記錄，尤其應(yīng)做好建筑外部凸起部分的檢測(cè)，其經(jīng)過(guò)研究表明，高層建筑的外部凸起部分需要較強(qiáng)的抗震性能，因此需要對(duì)其相關(guān)部分加強(qiáng)施工處理[9]。

5.2 合理降低建筑的外部能量輸入

對(duì)于抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其主要是為了加強(qiáng)高層建筑的抗震性能。因此，在其結(jié)構(gòu)建設(shè)過(guò)程中提高對(duì)高層建筑施工場(chǎng)地覆蓋層的材料甄選，盡量選擇較為輕薄的材質(zhì)作為其場(chǎng)地覆蓋層，并且根據(jù)國(guó)家制定的覆蓋面厚度進(jìn)行一定控制，從其施工場(chǎng)地的地面到堅(jiān)硬場(chǎng)地上面的相關(guān)面積都應(yīng)該進(jìn)行覆蓋面的處理。尤其是巖石較多的堅(jiān)硬場(chǎng)地，其應(yīng)針對(duì)實(shí)際土地情況進(jìn)行特殊處理，并且借鑒其他國(guó)家對(duì)巖層的處理方法，對(duì)土質(zhì)密度較大的區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，以此保證地震造成的損害盡可能得作用在巖石材質(zhì)上，從而進(jìn)一步保障高層建筑的抗震性能。

5.3 高層建筑平面與立面的布置

在高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，其抗震概念設(shè)計(jì)要求應(yīng)嚴(yán)格確定建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，不規(guī)則的部分建筑應(yīng)該按一定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定加強(qiáng)措施，而特別不規(guī)則的建筑則應(yīng)該進(jìn)行專門的研究和論證，并且同時(shí)采取特殊的加強(qiáng)措施，在其建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中不能采取嚴(yán)重不規(guī)則的建筑。對(duì)于高層建筑的規(guī)則性評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合建筑的整體進(jìn)行考慮，例如其建筑的幾何結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其他的使用因素，總體的要求主要是對(duì)建筑的平面布置、結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及抗側(cè)力構(gòu)件的平面布局進(jìn)行，即要求其對(duì)應(yīng)的平面布局應(yīng)該規(guī)則對(duì)稱、立面布局的變化以及側(cè)向剛度的變化都應(yīng)是均勻的，其豎向的抗側(cè)力構(gòu)件截面尺寸以及材料強(qiáng)度應(yīng)該是從下到上逐漸減小，能夠充分避免側(cè)向剛度以及承載力的突變[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于目前我國(guó)高層建筑的建設(shè)情況，隨著城市化的不斷推進(jìn)以及城市經(jīng)濟(jì)的不斷提高，人們對(duì)高層建筑的需求愈來(lái)愈大，對(duì)其建筑的安全性以及抗震性也有了更嚴(yán)格的要求?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)則是有效提升高層建筑抗震性能的重要工作。針對(duì)抗震概念的意義對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析和研究，并且從高層建筑的施工工作以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行具體分析，以提高高層建筑的抗震性能。