高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的實用性分析探討

李媛 黃利

中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司 河北 滄州 062552

引言

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的過程中，首先要考慮到的是如何將抗震性能應(yīng)用到建筑的主體結(jié)構(gòu)之中，這樣可以降低建筑在地震和洪澇災(zāi)害中遭到的破壞性影響。在進行設(shè)計和建造時，必須明確了解和掌握高層建筑的抗震能力，明確影響抗震性能的各類要素，不斷優(yōu)化設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)抗震體系，充分發(fā)揮高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計實用性價值。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論研究

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是建筑工程項目規(guī)劃設(shè)計重點，對高層建筑工程項目進行研究分析，必然要對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震進行規(guī)劃設(shè)計，以探討其設(shè)計思想、方法以及相應(yīng)的抗震對策。建筑物抗震標(biāo)準(zhǔn)是世界各地建筑抗震實踐所歸納的權(quán)威性內(nèi)容，是指導(dǎo)建筑物抗震設(shè)計，包含結(jié)構(gòu)動力計算、結(jié)構(gòu)抗震措施、地基抗震分析的法律文書。這不僅體現(xiàn)了各國社會發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展的高水平，也體現(xiàn)了各國在地震抗震方面的具體實踐成果。在抗震相關(guān)的科學(xué)學(xué)說指導(dǎo)下，朝著技術(shù)、經(jīng)濟的合理發(fā)展，但是必須以施工實際為前提，以施工的安全為第一要務(wù)，絕不能出現(xiàn)絲毫的風(fēng)險。

1.1 擬靜力學(xué)

擬靜力學(xué)是20世紀(jì)10-40年代發(fā)展的一個新的概念，該方法只假設(shè)建筑物結(jié)構(gòu)是剛性，地震力水平作用于建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心，計算地震力大小時，具體以建筑結(jié)構(gòu)重量和比率常量相乘得出，確定地震系數(shù)。

1.2 反應(yīng)譜

在20世紀(jì)40-60年代，以了解強地震加速度檢測數(shù)據(jù)增多、地震地面運動特點等為前提，將結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特性作為理論依據(jù)，加理工大學(xué)的許多研究者對地震動加速度記錄特點進行研究，得出反應(yīng)譜理論。

1.3 動力理論

動力理論是20世紀(jì)70-80年代廣泛使用的一種地震力學(xué)學(xué)說。其發(fā)展不僅是建立在60年代以后的電腦及實驗技術(shù)上的進步，對于不同類型的結(jié)構(gòu)在地震中的線性、非線性響應(yīng)有了更深刻的認(rèn)識，而且由于觀測臺點的增加，對不同類型建筑物的地震響應(yīng)記錄也越來越多。動力理論又稱為時程解析法，將地震視為一個時程，選取具有代表性的地震動加速度時程，將建筑物分解成多自由度子體系，以求出各時刻的地震響應(yīng)，進而進行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

一般情況下，當(dāng)建筑物受到強烈的震動時，其抗震構(gòu)造都會處于塑性狀態(tài)，為了使建筑物的抗震性能達到預(yù)期目的，必須在建筑的抗震設(shè)計中充分考慮其彈塑性變形。目前，在國內(nèi)外關(guān)于抗震設(shè)計的發(fā)展方向上，多集中于在各種超過可能性水平地震作用下對結(jié)構(gòu)變形與特性的需求。結(jié)構(gòu)的彈塑性分析是抗震設(shè)計的一個主要方面，但是結(jié)構(gòu)的彈塑性分析難度并不低，其彈性模量的確定和求解方法也不盡相同。目前的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，采用反應(yīng)譜理論，完成抗震設(shè)計計算，采用彈性分析法進行位移及內(nèi)力分析，采用了極限狀態(tài)分析法進行構(gòu)設(shè)計[1]。對于部分有特別需求的建筑物，或者某些重點建筑，需要采用時程分析方法，對其進行加載運算，在大型地震作用下，對其變形情況進行計算，在罕遇地震條件下進行彈塑性變形分析。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基本原理

3.1 總體規(guī)劃

在進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的時候，要做到從整個建筑的角度出發(fā)，為了確保地板的安全性和完整性，在規(guī)定的限度之內(nèi)，可以將結(jié)構(gòu)的運動量集中起來，并將其轉(zhuǎn)移到慣性作用，從而達到垂直倒置地震結(jié)構(gòu)所必需的功能。其次，在進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的時候，必須確保各子系統(tǒng)的抗震性能，以促進整體的抗震性能。

3.2 條理分明

現(xiàn)在關(guān)于房屋的抗震設(shè)計已經(jīng)有了許多的研究，比如地震的移動和如何傳遞。因為在建筑的設(shè)計中，必須要嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)原理，這樣就可以對建筑物的位移、內(nèi)力、弱點等進行分析和計算，并且還可以對其進行保護，從而提高工程的整體設(shè)計效果。

3.3 調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度、抗震性能

在發(fā)生地震的情況下，建筑的剛性和抗震能力都會受到雙重的影響。在整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，必須要將整個結(jié)構(gòu)的剛性問題都納入到其中，這樣可以避免各種不同的方向上的震動，也可以弱化整體結(jié)構(gòu)的扭曲與均衡，同時也可以降低大暴雨對建筑物的損害。

4 增強高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計成效的策略

4.1 合理選用體系、材料

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，特別是在地震頻發(fā)地區(qū)，人們越來越多地關(guān)注著高層建筑結(jié)構(gòu)體系和材料的選擇問題。目前國內(nèi)超過50米的高層建筑多采用三種結(jié)構(gòu)形式，主要參考國外的建筑結(jié)構(gòu)形式。其中有一點不同，在國外地震頻發(fā)區(qū)域，建筑大多選用鋼材材料，國內(nèi)大部分都選用鋼筋混凝土、混合結(jié)構(gòu)，國外對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)缺乏防震演示經(jīng)驗。設(shè)計高層建筑物框架-核心筒體系結(jié)構(gòu)，所用的鋼材量并不多，減少了立柱斷面，因而得到了業(yè)主的廣泛關(guān)注。在混合結(jié)構(gòu)中，由于其內(nèi)部的抗剪強度比較大，因此采用以鋼筋混凝土核心筒為主要構(gòu)件，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形極限值視為變性控制基準(zhǔn)。但是在實際工程中，彎曲變形移動較為明顯，部分鋼架剛性差，使得側(cè)移降低，從而增大了鋼梁承載力，在設(shè)計時應(yīng)增大混凝土筒的伸臂結(jié)構(gòu)、剛性，以保證其達到側(cè)移極限[2]。柱間距和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)變化時，設(shè)計結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，在轉(zhuǎn)換層和加固層的作用下產(chǎn)生機械剛性突變，從而增大與轉(zhuǎn)換層和增強層相連結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，增強和轉(zhuǎn)換層的連接部不能或者很難實施強柱弱梁，在變換層或者加固層的布置中，必須要合理地選取其構(gòu)造方式，盡可能地減少自身的剛性，從而減少對其造成的負(fù)面效應(yīng)。另外，在高層建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，也要考慮到材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，盡管現(xiàn)在的鋼材產(chǎn)量和種類越來越多，鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)水平也有所提高，但還是有一些工程主要選擇鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，以減少柱子斷面尺寸，提高結(jié)構(gòu)耐久性。當(dāng)超過某一水平時，由于鋼構(gòu)件本身的重量較輕，一般采用鋼骨混凝土、混凝土材料等作為降低風(fēng)振的首選。

4.2 科學(xué)、合理選址

地理位置、地形地貌、水文條件等都是影響抗震性能的主要要素，必須要對高層建筑工程地理位置、地形地貌、水文條件等因素進行現(xiàn)場調(diào)查和取樣，以此為關(guān)鍵參考依據(jù)，對其地理位置的確定進行全面分析。在選定施工工地時，還要對房屋在地震中的損傷特性和損壞情況進行細致劃分，并針對不同場地特性，制定相應(yīng)的抗震對策，以排除不良影響。在進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，結(jié)構(gòu)工程人員還要對地基液化程度、地基抗震設(shè)防類別等進行有效研究，并據(jù)此提出相應(yīng)的改進方案，以提高上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度，從而有效的處理地基液化沉陷問題，從而防止不利地質(zhì)條件對結(jié)構(gòu)的整體強度和穩(wěn)定造成負(fù)面影響。

4.3 提高抗震等級

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，若結(jié)構(gòu)強度不能滿足規(guī)范規(guī)定，將會在以后的應(yīng)用中產(chǎn)生震動，造成結(jié)構(gòu)破壞、裂縫、位移等問題，從而使工程施工品質(zhì)下降。為有效避免此類問題的發(fā)生，設(shè)計人員應(yīng)充分把握建筑物抗震等級，提高其抗震能力的科學(xué)性，降低建筑結(jié)構(gòu)病害發(fā)生概率?，F(xiàn)階段，可充分利用信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，進行智能模擬演示，對高層建筑結(jié)構(gòu)特性進行技術(shù)研究，著重于明確高層建筑結(jié)構(gòu)物理剛度，并對高層建筑結(jié)構(gòu)變形和扭力的參數(shù)進行研究。在進行計算時，可以根據(jù)現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)形式和有關(guān)技術(shù)規(guī)范，對高層建筑結(jié)構(gòu)物理剛度進行合理的測試與判定，以保證高層建筑扭轉(zhuǎn)與變形的剛性1.1～1.2范圍內(nèi)[3]。在剪力墻和簡化連梁規(guī)劃設(shè)計中，有關(guān)的參數(shù)應(yīng)滿足以下兩點。第一點是必須將連梁跨距高度限制在2以下，并采用暗柱作支承，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。第二點是若連梁跨距高度比值小于1，則應(yīng)采用十字暗柱作支承。地震活動主要由地殼垂直運動引起，在抗震構(gòu)造設(shè)計中，應(yīng)充分掌握地質(zhì)地理構(gòu)造的特點和活動規(guī)律，并結(jié)合以前的資料進行研究，對其周圍的環(huán)境進行科學(xué)控制，對地震發(fā)生頻率、地震等級的變化做出預(yù)報和判斷，從而為抗震設(shè)計和施工提供真實有效的地理地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，設(shè)計人員通過對該區(qū)域的地震活動進行研究，可以保證整個區(qū)域建設(shè)項目地質(zhì)構(gòu)造布置以及整個區(qū)域的地震活動趨向保持相對垂直，控制較大等級地震對高層建筑工程設(shè)計成效的不良影響。

4.4 剛性控制層設(shè)計

提高軸線豎向剛度是提高墻體結(jié)構(gòu)抗震能力的關(guān)鍵，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計準(zhǔn)則，并以底層結(jié)構(gòu)的地震墻體為主體。建筑底層框架的構(gòu)造比較復(fù)雜，使用復(fù)合構(gòu)造材料的形成混合結(jié)構(gòu)，對提高房屋的抗震能力是不利的。為此，必須根據(jù)各參數(shù)剛性，根據(jù)計算結(jié)論，確定結(jié)構(gòu)的剛性控制標(biāo)準(zhǔn)，具體包含以下四個方面內(nèi)容。第一個方面是底層抗震墻體剛度調(diào)控，以墻體在震中產(chǎn)生的撓性變形為基礎(chǔ)，并根據(jù)剪切變形，求出剛性控制限數(shù)值，明確上述兩個條件下底層抗震墻體剛度調(diào)控范圍。第二個方面是底層框架剛度調(diào)控。在確定框架梁剛性參數(shù)的前提下，以結(jié)構(gòu)的撓曲變形系數(shù)為唯一標(biāo)準(zhǔn)，確定框架柱剛度區(qū)間。第三個方面是砌體抗震墻剛度調(diào)控。此項性能參數(shù)應(yīng)按墻高、墻寬之比來決定，若比例小于1，則以剪切為控制基礎(chǔ)，以防止產(chǎn)生變形，并設(shè)置剛性控制區(qū)域。在比例不大于1、不超出4的情況下，根據(jù)剪切變形，添加撓性指數(shù)，設(shè)置剛性控制區(qū)域。在比例大于4的情況下，用等效方法使其側(cè)向剛性為0。第四個方面是嵌砌的砌體抗震墻剛性控制。該部位的剛性比較高，在結(jié)構(gòu)的彈性側(cè)移剛性基礎(chǔ)之上，添加框架彈性側(cè)移剛性，這二者的總和是剛性調(diào)控限制數(shù)值。

4.5 抗震計算

根據(jù)底部剪力方式，可以對房屋的抗震情況進行分析。當(dāng)鋼構(gòu)件具有高的總體高度時，可用分解反應(yīng)譜方法進行分析。設(shè)計者應(yīng)對本項目所處地理位置的特定抗震要求作出規(guī)定，一般有4～6級地震級別的區(qū)域，應(yīng)按特定規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)來進行建筑布局，同時要充分考慮到房屋本身條件和當(dāng)?shù)氐乩項l件，保證其抗震能力與實際水平要求相符。同時，對施工現(xiàn)場進行詳細分析，并依據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)的抗震處理措施。在進行地震反應(yīng)時，必須對重力荷載代表性數(shù)值進行計算，而最后的載荷由固定標(biāo)準(zhǔn)載荷加上活載荷數(shù)值來決定，活荷載組合值系數(shù)為0.5，不同結(jié)構(gòu)活荷載組合值系數(shù)為0，屋面部分活載荷不包括在內(nèi)。

4.6 薄弱層構(gòu)造設(shè)計

地震自然災(zāi)害具備突發(fā)性特點，對于地震自然災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，仍無較為明確的研究成果，在地震自然災(zāi)害預(yù)警方面，尚且不能百分之百保證提前預(yù)警。在進行高層建筑的設(shè)計中，尚且不能精確的預(yù)測出房屋主要參數(shù)、地震特性，必須要對其進行綜合分析，找出其中的弱點，然后進行針對性的改進，以保證整個建筑的安全。在建筑物的薄弱部位，比較有可能出現(xiàn)建筑物豎向抗側(cè)力不連續(xù)、樓層受剪承載力突然變化、建筑結(jié)構(gòu)雙向側(cè)向剛性分布不均衡等問題，加之薄弱部位非常容易被破壞，在進行軟弱層設(shè)計時，必須采用更好的抗震結(jié)構(gòu)，以改善其抗震能力。結(jié)構(gòu)分析軟件能可以對施工區(qū)域的薄弱部位做出準(zhǔn)確判定，并對薄弱層進行有效監(jiān)控，使薄弱層具備承受多種效應(yīng)的功能，避免薄弱層發(fā)生過度的變形，避免薄弱層遷移。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段住宅用地不斷縮減，城市高樓大廈必將是最理想的居住方式。如何確保結(jié)構(gòu)安全性，尤其是結(jié)構(gòu)的抗震性能是非常關(guān)鍵的。確保高層建筑結(jié)構(gòu)抗震強度符合使用需求，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要目標(biāo)，要不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，以設(shè)計出更高質(zhì)量的房屋抗震結(jié)構(gòu)。