高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的不足及對(duì)策

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摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的推進(jìn)，在城市發(fā)展和建設(shè)中建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大，而城市中土地可使用率降低，為此在建筑行業(yè)發(fā)展中逐漸朝著高層建筑發(fā)展，而高層建筑結(jié)構(gòu)體系也是社會(huì)發(fā)展與科技進(jìn)步的產(chǎn)物。早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了分析，尤其是在我國(guó)地震多發(fā)區(qū)，在建筑工程設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)是其重要內(nèi)容。本文就對(duì)當(dāng)前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；存在不足；解決對(duì)策

1引言

地震是一種強(qiáng)有力的自然災(zāi)害事件，對(duì)于人類(lèi)的生存和發(fā)展產(chǎn)生重要的影響，而高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能對(duì)于人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全有著直接的聯(lián)系。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅需要考慮到建筑物美觀性，經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性特點(diǎn)，同時(shí)還要考慮到建筑安全問(wèn)題，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是其重要內(nèi)容，對(duì)于建筑物使用壽命及使用性能都帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，對(duì)建筑工程項(xiàng)目安全發(fā)揮著重要的作用。

2高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容分析

通常建筑物的抗震結(jié)構(gòu)在遇到強(qiáng)大地震作用下會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，為滿足地震作用下結(jié)構(gòu)性能要求，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中就要考慮到結(jié)構(gòu)彈塑性變形能力。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)抗震設(shè)計(jì)研究的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，主要是對(duì)在不同超越概率水平地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的變形要求和性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。在抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的彈塑性分析是其重要內(nèi)容，但由于在結(jié)構(gòu)的彈塑性分析中具有一定的難度和復(fù)雜性，在如何設(shè)定與如何計(jì)算等問(wèn)題的要求上也各有不同。當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)行的抗震規(guī)范中對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求是按照反應(yīng)譜理論來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，通過(guò)彈性方法來(lái)對(duì)位移及內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)極限狀態(tài)來(lái)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。在建筑物有特殊要求或是一些重要建筑中應(yīng)通過(guò)時(shí)程分析法來(lái)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，并計(jì)算在大震作用下的變形狀態(tài)，規(guī)定在罕遇地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形分析。

3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不足

3.1建筑結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)我國(guó)建筑行業(yè)現(xiàn)行的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程中明確規(guī)定，在一定的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)防烈度前提下，高層建筑鋼筋混凝土高度應(yīng)保持適宜，而高度則是根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的施工技術(shù)水平、建筑科研水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平基礎(chǔ)上所明確的，與我國(guó)土建規(guī)范體系是相協(xié)調(diào)的[2]。但在高層建筑的實(shí)際施工中很多混凝土結(jié)構(gòu)和建筑物結(jié)構(gòu)明顯超過(guò)限制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于超高層建筑物在抗震設(shè)計(jì)中需要采用科學(xué)的方式，如模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并要有專(zhuān)家論證。在地震作用下超高層建筑物變性破壞形態(tài)較大，隨著建筑物高度增加，一些影響因素會(huì)從量變發(fā)生質(zhì)變，即一些參數(shù)本身超出其規(guī)范范圍內(nèi)，如延性要求、力學(xué)模型選取、安全指標(biāo)、荷載取值及材料性能等。

3.2建筑體系和材料選用

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)體系和材料的選用受到人們的重視，尤其是在地震多發(fā)區(qū)域人們重視程度明顯增加。我國(guó)當(dāng)前在150米以上的高層建筑結(jié)構(gòu)中主要采用的是三種結(jié)構(gòu)體系，這些結(jié)構(gòu)體系都是借鑒其他國(guó)家建筑結(jié)構(gòu)體系，但不同的是國(guó)外地區(qū)尤其是地震區(qū)主要是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而國(guó)內(nèi)則主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或是混合結(jié)構(gòu)，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并未進(jìn)行大地震作用試驗(yàn)。如在高層建筑的框架-核心筒體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量少，柱子斷面減少，因此受到業(yè)主方青睞[3]?；旌辖Y(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土內(nèi)簡(jiǎn)震層剪力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)位移限值作為變性控制基數(shù)。但由于彎曲變形側(cè)移較大，一些鋼框架剛度小，協(xié)同作用下使側(cè)移減小，鋼結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)增加，在設(shè)計(jì)中需要加大混凝土筒的伸臂結(jié)構(gòu)和剛度，確保滿足側(cè)移限值。當(dāng)柱距和結(jié)構(gòu)體系在發(fā)生變化時(shí)應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，在轉(zhuǎn)換層和加強(qiáng)層作用下使機(jī)構(gòu)剛度發(fā)生突變，使與轉(zhuǎn)換成和加強(qiáng)層相連的構(gòu)件建立增加，加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層連接處無(wú)法或是難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁，為此在轉(zhuǎn)換層或加強(qiáng)層設(shè)置中應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行科學(xué)，謹(jǐn)慎選擇，使其本身剛度應(yīng)盡量減小，才能減小所帶來(lái)的不利影響。除此之外，在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中還要注意到材料及結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選，雖然我國(guó)目前鋼材生產(chǎn)量不斷增加，鋼材品種與類(lèi)型增加，鋼結(jié)構(gòu)制造能力提升，但部分地區(qū)仍盡可能的采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)或是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，使柱斷面面積減小，使結(jié)構(gòu)抗震性能得到改善[4]。在超出一定高度后，鋼結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量小，為減小風(fēng)振，通常首要選擇鋼骨混凝土或是混凝土材料。

3.3短柱和軸壓比

在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中為了控制柱的軸壓比，通常會(huì)使柱的斷面增加，柱縱向鋼筋為構(gòu)造配筋，雖然采用高強(qiáng)度混凝土也不能明顯的減小柱斷面的面積。對(duì)柱的軸壓比進(jìn)行限制主要是確保柱在大片呀狀態(tài)下，防止IE受拉鋼筋補(bǔ)鞥呢屈服被混凝土碾壓，柱塑性變形能力差，使結(jié)構(gòu)延性受到影響。在地震作用下，使吸收地震能量和耗散能量少，結(jié)構(gòu)容易受到破壞。但在框架的抗震設(shè)計(jì)中為確保強(qiáng)柱弱梁，使梁的延性較好，柱子進(jìn)入屈服可能性減小，使軸壓比限值得到放松[5]。此外，當(dāng)前在一些高層建筑的底部柱子并不一定是短柱，只有在明確剪跨比低于2的情況下才能確保柱子是短柱，進(jìn)一步明確短柱參數(shù)為柱的剪跨比。但即便可以對(duì)軸壓比限值進(jìn)行調(diào)整，仍不能通過(guò)增加軸壓比限值的方式減小柱斷面，為此在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中鋼筋混凝土采用是否合理還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探究與分析。

4高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

4.1選擇合適的地理位置

當(dāng)建筑施工場(chǎng)地工程地質(zhì)條件不同的情況下，在地震作用下建筑物所遭受的破壞程度也是不同的，因此在高層建筑工程項(xiàng)目建設(shè)中應(yīng)選擇具有抗震有利場(chǎng)地，避開(kāi)抗震不利場(chǎng)地進(jìn)行施工建設(shè)，從而減輕地震災(zāi)害問(wèn)題發(fā)生。在高層建筑施工前應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工程地質(zhì)的勘查，并采取科學(xué)的解決措施，對(duì)于不利工程地段應(yīng)考慮到因場(chǎng)地條件會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞因素，在工程施工地區(qū)中除去地震因素限制之外，還要排除具有嚴(yán)重危險(xiǎn)性場(chǎng)地和不利場(chǎng)地作為建筑施工用地[6]。在建筑施工場(chǎng)地選擇中應(yīng)根據(jù)地基、場(chǎng)地等對(duì)于建筑物所承受抗震破壞作用大小及其特征來(lái)進(jìn)行明確分類(lèi)，根據(jù)不同場(chǎng)地的特點(diǎn)和特征采取科學(xué)合理的抗震措施。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)提出避開(kāi)不利地質(zhì)環(huán)境的要求，如根據(jù)地基液化等級(jí)和抗震設(shè)防類(lèi)別等加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)和地基結(jié)構(gòu)的剛度，消除地基液化沉陷。

4.2抗震設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

建筑材料選擇在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，通過(guò)對(duì)建筑材料參數(shù)分析，從整體上考慮材料參數(shù)變異性，并選擇具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用型同時(shí)符合抗震要求的材料類(lèi)別。但在抗震設(shè)計(jì)中不僅需要考慮到材料承載力，同時(shí)還要考慮到高層建筑在施工中各方面因素，選擇與抗震需求相符合的材料，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量，采用不同的材料和不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

4.3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中對(duì)稱(chēng)均勻?yàn)槠湓O(shè)計(jì)主要原則，根據(jù)綜合抗震能力概念，在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和承載力大小對(duì)于地震作用進(jìn)行衡量，在地震時(shí)建筑物受到地震作用大小在一定程度上和建筑物的動(dòng)力特性，承載力分布，剛度合理性及延性大小有著密切的關(guān)系。房屋是由樓蓋和縱向、橫向承重構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系，具有空間剛度，而建筑結(jié)構(gòu)抗震能力大小在一定程度上取決于建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及空間剛度大小。為了使建筑物抗震性能提高與改善，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)確保所有構(gòu)件的延性較高，并通過(guò)屋蓋、現(xiàn)澆樓等多種方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)空間剛度，在適當(dāng)部位設(shè)置構(gòu)造柱，配備構(gòu)造鋼筋，使結(jié)構(gòu)整體作用增強(qiáng)。除此之外，還要對(duì)配筋圈梁可限制散落問(wèn)題進(jìn)行設(shè)置，使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性得到提高，進(jìn)而使房屋抗震性能增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)延性來(lái)使建筑物在大地震作用下發(fā)生非彈性變形，因此建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性在地震作用下的意義都是同等重要的。為確保在地震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)具有一定的延性，就需要將塑性變形集中在具有良好延性能力的構(gòu)件上，如選擇可接受塑性變形機(jī)構(gòu)，通過(guò)人為方式使構(gòu)件抗剪能力增強(qiáng)，在不強(qiáng)烈地震作用下，為充分發(fā)揮出結(jié)構(gòu)延性前出現(xiàn)非延性剪切破壞，即強(qiáng)剪弱彎?；虿捎猛瑯拥臉?gòu)造方式確保塑性鉸部位具有一定的塑性損耗和轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)濟(jì)性和安全性問(wèn)題是重要的技術(shù)措施，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)看診設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)當(dāng)前的抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀即其不足之處，明確設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系性，根據(jù)抗震概念知識(shí)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)作出明確的判斷，找出經(jīng)濟(jì)合理性與結(jié)構(gòu)安全性之間的連接點(diǎn)，從而找到一種切實(shí)可行的抗震設(shè)計(jì)方法，明確地震區(qū)域中高層建建筑未來(lái)發(fā)展主要方向，從而推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步，滿足人們的需求。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳維東.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及其對(duì)策[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2009(5):173~174.

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作者：王敬東 單位：葫蘆島市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司