高層建筑結(jié)構(gòu)抗震加固方法研究

張琰琳

隨著城市化進程的加速和人們對舒適居住環(huán)境的需求增加，高層建筑的數(shù)量和高度不斷增加。然而，地震頻發(fā)地區(qū)高層建筑抗震能力的保障成為亟待解決的問題。本文旨在研究高層建筑結(jié)構(gòu)抗震加固方法，為提升高層建筑的抗震性能提供參考。

1 高層建筑抗震問題分析

1.1 自身高度對地震反應(yīng)的影響

高層建筑由于其本身較高，以及具有較長的振動周期和較低的固有頻率，這使得它們在地震發(fā)生時更容易受到影響。根據(jù)動力學(xué)理論，建筑的自由振動周期與其高度成正比，因此高層建筑的振動周期較長[1]。在地震作用下，如果地震波的周期接近或與建筑的自由振動周期相近，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞。另外，高層建筑由于其高度造成的結(jié)構(gòu)重量較大，使得地震引起的慣性力和地震波的慣性力也相應(yīng)增大，加劇了建筑結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。同時，由于高層建筑的結(jié)構(gòu)相對較為柔軟，地震波的傳播也容易引起結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)，增加了結(jié)構(gòu)受力的不確定性，進一步提高了地震風(fēng)險。

1.2 結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致的抗震挑戰(zhàn)

高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性給抗震設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)，具體為：第1，高層建筑常用的材料如鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)雖具有一定彈性和延性，但受力性能不如剛性材料，容易出現(xiàn)剛度不足的問題。第2，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式多樣，包括框架結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等，而不同結(jié)構(gòu)形式在地震作用下的響應(yīng)特性也存在較大差異，需制訂相應(yīng)的抗震設(shè)計方案。第3，高層建筑的結(jié)構(gòu)通常具有許多復(fù)雜的節(jié)點連接，如柱-梁節(jié)點、梁-板節(jié)點等，這些節(jié)點處于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域，容易受到地震作用的影響而發(fā)生破壞，成為高層建筑抗震設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。第4，高層建筑的地基承載能力也是一個重要問題，特別是在軟土地區(qū)，地基的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致建筑整體的傾斜和變形，加劇地震災(zāi)害的發(fā)生。

1.3 主要結(jié)構(gòu)問題概述

高層建筑在地震作用下容易出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題主要包括剛度不足、節(jié)點易損、地基承載能力不足等。第1，剛度不足是指建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形能力不足，無法有效地吸收和分散地震能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞[2]。第2，節(jié)點易損指的是高層建筑結(jié)構(gòu)中的節(jié)點連接處容易受到地震作用的影響而發(fā)生破壞，如柱-梁節(jié)點、梁-板節(jié)點等。第3，地基承載能力不足是指建筑地基在地震作用下的承載能力不足，無法有效支撐建筑結(jié)構(gòu)，從而使建筑整體穩(wěn)定性受到影響。這些主要結(jié)構(gòu)問題的存在使得高層建筑在地震發(fā)生時更容易受到破壞，嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。因此，應(yīng)針對問題制訂相應(yīng)的抗震加固措施，增強高層建筑的抗震性能，減少地震災(zāi)害造成的損失。

2 高層建筑抗震加固方法探討

2.1 增加剪力墻

增加剪力墻是一種被廣泛采用的高層建筑抗震加固方法。剪力墻布置于主要承重墻體或核心區(qū)，承擔(dān)地震作用下的剪力，并有效地將地震能量分散和吸收，從而減小結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。剪力墻的加固效果主要取決于其布置位置、尺寸和材料等因素[3]。通常來說，剪力墻應(yīng)該被布置在建筑結(jié)構(gòu)的中心位置，充分發(fā)揮其對結(jié)構(gòu)整體的抗震作用。此外，剪力墻的尺寸和厚度也需根據(jù)建筑的具體情況和地震設(shè)計要求進行合理設(shè)計，以保證其在地震作用下的受力性能和變形能力。在材料選擇方面，通常采用高強度混凝土或鋼筋混凝土等材料，確保剪力墻具有足夠的承載能力和延性。除了在新建高層建筑中加設(shè)剪力墻外，對于已建成的高層建筑，也可以通過在墻體上開設(shè)洞口的方式來加固。這種方法稱為局部剪力墻加固，通過在原有墻體上增設(shè)鋼筋混凝土墻或鋼板剪力墻來提高墻的抗震能力，從而達到整體結(jié)構(gòu)加固的目的。

2.2 加固柱-梁節(jié)點

加固柱-梁節(jié)點是提升高層結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵措施，目的是增強節(jié)點承載力和減少地震風(fēng)險，其直接關(guān)乎整體抗震表現(xiàn)。常見的加固方法包括增加鋼筋數(shù)量和直徑，使用特制連接件，提高混凝土強度等。其中，增加節(jié)點鋼筋的數(shù)量和直徑是最常見的加固手段之一，通過增加鋼筋的數(shù)量和直徑來提高節(jié)點的承載能力和延性，從而提高節(jié)點的抗震性能。此外，還可以采用專門設(shè)計的節(jié)點連接件，如鋼板套筒、外加鋼板等，來增加節(jié)點的抗震能力，減少地震作用下的節(jié)點破壞風(fēng)險。對于已建成的高層建筑，還可以通過局部加固的方式來提高柱-梁節(jié)點的抗震能力。如通過在節(jié)點處增加鋼筋混凝土墩、設(shè)置鋼板護套等方式來加固節(jié)點，以提高節(jié)點的受力性能和抗震性能。通過該加固措施，有效提高了柱-梁節(jié)點的抗震性能，保障整個高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 加固地基

地基的承載能力和穩(wěn)定性直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。加固地基的目的是提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，減少地震作用下地基的變形和沉降，確保建筑整體的穩(wěn)定性和安全性。加固地基的方法多種多樣，包括加固地基土體、增加基礎(chǔ)的承載面積、采用特殊形式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等[4]。其中，加固地基土體是最常見的加固手段之一，通過在地基土體中注入混凝土漿液、灌注碎石樁、振動加固等方式來提高地基土體的承載能力和穩(wěn)定性。此外，還可采用增加基礎(chǔ)承載面積的方式來加固地基，如采用擴大底板、設(shè)置增大基礎(chǔ)尺寸等方式增加基礎(chǔ)的承載能力，提高地基的穩(wěn)定性。對于軟弱地基或易液化地區(qū)的高層建筑，可采用特殊形式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來加固地基，如采用懸掛式基礎(chǔ)、增加樁基礎(chǔ)的長度和直徑等方式提高基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性，確保建筑整體的抗震性能得到有效提升。通過加固措施，可有效增強地基的承載能力和穩(wěn)定性，提高建筑在地震作用下的整體安全性和穩(wěn)定性。

3 抗震加固方法應(yīng)用探析

3.1 工程基本信息

廣州珠江新城西塔（又名廣州國際金融中心）是一座位于廣州市中心的超高層建筑，也是珠江新城地標(biāo)性建筑之一。該項目總高度為432 m，共有103 層，采用柱斜交網(wǎng)格外筒和鋼筋混凝土內(nèi)筒的“筒中筒”結(jié)構(gòu)。建筑平面呈40 m×40 m 的正方形，高寬比為6.5，核心筒墻厚1100 mm，外框柱截面直徑1600 mm，是一座典型的超高層建筑。

廣州地處地震多發(fā)地區(qū)，加上廣州珠江新城西塔作為一座超高層建筑，其抗震性能成為項目設(shè)計和施工中的重要考慮因素。由于建筑高度較大，地震波傳遞會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，容易引起結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，從而增加結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；考慮到建筑采用的“筒中筒”結(jié)構(gòu)，外筒和內(nèi)筒之間的連接部位需特別關(guān)注，以確保節(jié)點的抗震性能；因建筑位于廣州市中心，地基條件復(fù)雜，地基承載能力不足可能導(dǎo)致地基沉降或不均勻沉降，進而影響建筑整體的穩(wěn)定性。

3.2 增加剪力墻的應(yīng)用

為增強廣州珠江新城西塔的抗震性能，工程團隊采取了增加剪力墻的措施，其在提高建筑整體抗震性能方面具有顯著效果?？紤]到建筑的結(jié)構(gòu)特點和地震安全需求，工程團隊在設(shè)計中特別關(guān)注了剪力墻的布置位置和數(shù)量。剪力墻主要集中在建筑核心筒周圍和外框柱的周邊位置，通常承載著較大的結(jié)構(gòu)荷載和地震力，因此設(shè)置剪力墻能夠有效提高建筑的整體抗震性能。

剪力墻的設(shè)置不僅能夠增加建筑的整體剛度，抑制結(jié)構(gòu)的橫向位移，還能夠有效吸收和分散地震能量，從而在地震發(fā)生時降低結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，保護建筑及其內(nèi)部設(shè)施的完整性和安全性。在具體的設(shè)計過程中，工程團隊對剪力墻的位置、尺寸和材料進行了合理的確定。因剪力墻的作用機理和地震設(shè)計要求，在核心筒周圍和外框柱附近合理設(shè)置了多層剪力墻。剪力墻采用了高強度混凝土材料，并配備了足夠數(shù)量和直徑的鋼筋，以確保其具有良好的抗震性能和變形能力。為保證剪力墻的施工質(zhì)量和性能達到設(shè)計要求，工程團隊采用了先進的施工技術(shù)和質(zhì)量控制措施。在施工過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行施工，監(jiān)測剪力墻的施工質(zhì)量，確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠，為建筑的抗震性能提供了可靠保障。

3.3 加固柱-梁節(jié)點的應(yīng)用

除了增加剪力墻，柱-梁節(jié)點作為建筑結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵連接部位，其抗震性能直接影響到整個結(jié)構(gòu)的抗震能力。為此，工程團隊采取了一系列的加固措施，包括增加節(jié)點鋼筋的數(shù)量和直徑、采用特殊形式的節(jié)點連接件等。這些措施旨在提高節(jié)點的受力性能和抗震能力，減少地震作用下的節(jié)點破壞風(fēng)險。

施工過程中根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)布局和地震設(shè)計要求，對每個節(jié)點的加固方案進行詳細(xì)設(shè)計和優(yōu)化。第1，針對柱-梁節(jié)點的加固方案，工程團隊通過增加節(jié)點鋼筋的數(shù)量和直徑，提高了節(jié)點的承載能力和延性，從而增強了節(jié)點的抗震性能。第2，采用了高強度的鋼筋和混凝土材料，以確保加固節(jié)點具有足夠的抗震能力和變形能力。第3，工程團隊還用了先進的施工技術(shù)和質(zhì)量控制措施，確保加固節(jié)點的施工質(zhì)量和性能達到設(shè)計要求，進一步提高了建筑整體的抗震性能。

3.4 地基加固的應(yīng)用

針對廣州珠江新城西塔的地基問題，采取了一系列的地基加固措施，旨在提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，以應(yīng)對地震作用可能帶來的地基變形和沉降。在加固地基的過程中，工程團隊綜合考慮了地基土體的特性、建筑結(jié)構(gòu)的荷載要求以及地震安全的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。第1，工程團隊采用了注漿加固和灌注碎石樁等方法對地基土體進行加固處理。通過注漿加固，可有效提高地基土體的密實度和承載能力，增強地基的抗壓性和穩(wěn)定性。同時，灌注碎石樁的應(yīng)用可進一步鞏固地基土體，增加地基的承載能力和抗震性能，為建筑提供堅實的支撐基礎(chǔ)。這些加固措施不僅能夠改善地基的力學(xué)性能，還能夠有效地減少地震作用對地基造成的影響，提高建筑整體的抗震能力。第2，針對地基不均勻沉降的問題還采取了增加基礎(chǔ)的承載面積的措施。通過擴大底板、設(shè)置增大基礎(chǔ)尺寸等方式，可以有效分散建筑結(jié)構(gòu)的荷載，減少地基沉降和不均勻沉降對建筑整體穩(wěn)定性的影響。這些措施不僅能改善地基的承載性能，還為建筑的抗震性能提供可靠保障。

4 優(yōu)缺點總結(jié)與展望

4.1 不同加固方法的優(yōu)勢

不同的抗震加固方法各具特點，能夠在一定程度上提高建筑的抗震性能。第1，增加剪力墻的優(yōu)勢在于其能夠有效提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度，抑制結(jié)構(gòu)的橫向位移，同時能夠有效吸收和分散地震能量，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[5]。通過增加剪力墻的應(yīng)用提高了建筑的抗震能力，降低了結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度。第2，加固柱-梁節(jié)點的優(yōu)勢在于其能夠針對建筑結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵連接部位進行精細(xì)化加固，提高節(jié)點的受力性能和抗震能力。工程團隊對柱-梁節(jié)點進行了加固處理，有效提高了節(jié)點的抗震性能，減少了地震作用下的節(jié)點破壞風(fēng)險，提高了建筑的整體抗震性能。第3，加固地基的優(yōu)勢在于其能夠提高建筑的地基承載能力和穩(wěn)定性，減少地震作用下地基的變形和沉降。

4.2 不同加固方法的局限性

盡管增加剪力墻、加固柱-梁節(jié)點和加固地基等抗震加固方法在提升建筑抗震性能方面取得了顯著成效，但它們也面臨一定的局限性。第1，增加剪力墻在實際應(yīng)用中可能面臨一些問題。例如，在已建成的建筑中加設(shè)剪力墻可能會受到空間限制的影響，導(dǎo)致施工困難和造價成本增加。此外，加設(shè)剪力墻也可能影響建筑原有的使用功能，需要在提升抗震性能和保持建筑功能性之間進行平衡。第2，加固柱-梁節(jié)點雖然能夠提高節(jié)點的受力性能和抗震能力，但實際施工中可能存在一定的挑戰(zhàn)。由于加固柱-梁節(jié)點通常需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行較大改動，可能涉及拆除和重建等工程，施工難度較大，且加固效果可能受到限制。第3，加固地基雖然能夠提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，但在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)存在一些挑戰(zhàn)。例如，在軟弱地基或易液化地區(qū)進行地基加固面臨施工難度大、加固效果不確定等問題，需要綜合考慮地質(zhì)條件、工程成本和施工風(fēng)險等因素。

4.3 未來研究方向和發(fā)展趨勢

面對抗震加固方法存在的局限性和挑戰(zhàn)，未來的研究方向和發(fā)展趨勢主要包括優(yōu)化現(xiàn)有加固方法、探索新型抗震加固技術(shù)和開展抗震性能評估研究。第1，可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和施工工藝改進等手段，提高現(xiàn)有抗震加固方法的施工效率和加固效果。例如，可以研究開發(fā)更為靈活、便捷的加固方案，以減少施工難度和工程成本。第2，可以開展新型抗震加固材料和技術(shù)的研發(fā)，以應(yīng)對復(fù)雜多變的抗震需求。例如，可以探索高性能混凝土、納米材料等新型材料在抗震加固領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和耐久性[6]。第3，可以加強抗震性能評估技術(shù)的研究，建立完善的抗震性能評估體系，為工程實踐提供科學(xué)依據(jù)。通過持續(xù)不斷的研究和探索，進一步提升了高層建筑的抗震性能，確保其在地震等自然災(zāi)害中的安全可靠性。

5 結(jié)語

綜上，抗震加固技術(shù)在提高建筑抗震性能和保障人們生命財產(chǎn)安全方面具有重要意義。通過不斷的研究和實踐，可以不斷優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)新型技術(shù)，提高抗震加固技術(shù)的效率和可靠性，為建設(shè)更加安全可靠的建筑提供強有力的支撐。

本文綜合論述了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震加固方法的研究現(xiàn)狀和進展，為高層建筑的抗震設(shè)計提供了一定的參考價值。在未來的工程實踐中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的加固方法，并結(jié)合實際情況不斷改進和完善，以提高高層建筑的抗震性能，確保人員生命財產(chǎn)安全。