高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計淺探

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［摘要］隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能要求普遍進入人們的視野。高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)剛度值的控制至關(guān)重要。同時，因地制宜地優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立構(gòu)件受力模型，建立“框-剪力”結(jié)構(gòu)，都有助于提升高層混凝土建筑的抗震效果。

［關(guān)鍵詞］高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計

引言

經(jīng)濟的不斷發(fā)展帶來了我國建筑結(jié)構(gòu)的不斷升級，人們對高層混凝土建筑抗震性的需求越來越大，如何進行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為了擺在領(lǐng)域從業(yè)者面前的重難點問題。本文對有關(guān)問題進行了分析，將地震結(jié)構(gòu)設(shè)計與具體實踐相結(jié)合，從而為相應(yīng)問題的解決提供了一定建議。

1高層混凝土建筑在地震作用下的破壞特點

地震對高層混凝土建筑的破壞可分為四大方向，地基破壞、結(jié)構(gòu)體系破壞、剛度破壞、構(gòu)件破壞。若建筑整體處于柔弱土層上，則易發(fā)生地基破壞，這是由于地震中土體液化會導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降的發(fā)生，這會致使高層混凝土建筑上部出現(xiàn)傾斜、地基發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，同時使建筑物產(chǎn)生裂縫。而結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)周期與場地周期相一致時更會發(fā)生共振效應(yīng)，進而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞狀況發(fā)生。若地震中的建筑是框架填墻類結(jié)構(gòu)，則地震發(fā)生時，框架的內(nèi)框架柱上部會有剪切型破壞發(fā)生。而由于窗下墻的存在，窗洞部分會發(fā)生短柱型破壞。當(dāng)高層建筑以矩形平面式作為主體結(jié)構(gòu)時，一旦建筑中電梯井等結(jié)構(gòu)發(fā)生偏心，地震帶來的扭轉(zhuǎn)震動作用會使得地震破壞力度大為增加。除此之外，L形及三角形的不對稱式平面形式在地震中易發(fā)生比矩形更大的扭轉(zhuǎn)震動式震害。而在應(yīng)用框架剪力墻的建筑結(jié)構(gòu)中，房柱會比房板和墻面的破壞更為嚴(yán)重。由于框架柱中螺旋箍筋的設(shè)置，使框架間具有更大的層間位移角，進而使得框架柱對地震的抵御能力更強。

2高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點

高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需充分控制結(jié)構(gòu)剛度值的大小。做到對建筑建設(shè)區(qū)域地形地質(zhì)狀況、建筑基本建材性能、主要設(shè)備運行參數(shù)、應(yīng)用力學(xué)體系等基本情況的了解，從而確定建筑整體剛度及主要結(jié)構(gòu)設(shè)施的建設(shè)剛度。進而依托連接結(jié)構(gòu)進行調(diào)解，以確保抗震能力的充分抬升，使建筑整體受力大小保持在地質(zhì)支撐所能承載的范圍內(nèi)，即抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想是允許建筑結(jié)構(gòu)在地震中有小范圍的偏轉(zhuǎn)，并經(jīng)過連接結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)使得建筑性能仍在可接受的運行范圍內(nèi)。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計展開過程中，設(shè)計人員應(yīng)對建筑主體結(jié)構(gòu)之外各關(guān)鍵部位及受力連接點的受力參數(shù)進行精確計算，并依照計算結(jié)果與實際情況相比對，從而進一步開展建筑主輔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。過往經(jīng)驗表明，使用了柔和剛度的混凝土在地震中更易發(fā)生主體結(jié)構(gòu)的變形與損壞。并在余震作用下發(fā)生進一步結(jié)構(gòu)損害直至坍塌。故而高層混凝土建筑設(shè)計過程中應(yīng)著重建筑主輔結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，以確保結(jié)構(gòu)剛度能夠達到指定要求范圍。同時還應(yīng)強化結(jié)構(gòu)延展性，從而抬升整個高層混凝土建筑的抗震性能。

3高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求分析

在實際進行高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要按照一定的設(shè)計要求，進而有效確保設(shè)計的全面性和有效性，首先，是建筑的剛性要求，在設(shè)計的過程中，為應(yīng)對高層建筑在震動中出現(xiàn)基本架構(gòu)特點，所以在設(shè)計時，應(yīng)該具備動態(tài)維修與檢修的能力，確保建筑的整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變，從而實現(xiàn)高層建筑提升抗震性的效果。其次，是在建筑受力情況的要求，在建筑遭受震動時，由于建筑的層數(shù)過高，建筑的結(jié)構(gòu)主體會出現(xiàn)側(cè)傾的情況，并不斷進行倒塌和建筑損壞，進而使得高層建筑產(chǎn)生嚴(yán)重的破損和不足，因此，在實際進行高層建筑高層混凝土建筑抗震設(shè)計的過程中，需要把建筑的組件和交接點的耐受程度作為設(shè)計的重點，從而避免建筑遭受震動的傷害。最后，是建筑的延展性設(shè)計，在實際設(shè)計的過程中，主要是通過重視抗震效果的提升，通過在提升建筑結(jié)構(gòu)剛性和強度的基礎(chǔ)上，設(shè)置有效的措施與合理設(shè)計，進而有效提升建筑結(jié)構(gòu)的延伸作用，從而實現(xiàn)高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化與提升。

4高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化實踐

4.1優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，對抗震結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化在對工程造價產(chǎn)生影響的同時能夠有效強化抗震效果，設(shè)計開展過程需綜合高層混凝土建筑的功能要求、使用指標(biāo)，在嚴(yán)格規(guī)范制度的前提下踐行目標(biāo)。優(yōu)化過程中有多種結(jié)構(gòu)類型可供選擇，如剪力墻、框架結(jié)構(gòu)等，在結(jié)構(gòu)類型選擇的實踐過程中需綜合社會效應(yīng)、工程造價的基本要素，融合經(jīng)濟學(xué)考量、美學(xué)欣賞的設(shè)計要素，選擇與建筑類型及要求相適宜的抗震結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)化工作需從規(guī)劃設(shè)計著手展開，這首先要求混凝土高層建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計得干凈、對稱、整齊，其次應(yīng)在定量分析基礎(chǔ)上對混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能展開體系研究，從而對其整體性能進行明確，并通過對結(jié)構(gòu)特征、剪力墻方案、布置方法的確定，實現(xiàn)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。例如，對抗震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化時，應(yīng)從以下幾方面著手。首先要做到相同結(jié)構(gòu)單元在性質(zhì)一致基礎(chǔ)上的有效布置，這要求在面對新填土、液化土、橡皮土等具有不均勻承載力的土層時，應(yīng)采用一定措施使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性及剛性得到有效提升。如以基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性為例，可以通過鋼筋混凝土圈梁、調(diào)置構(gòu)造柱的方式，不僅可以抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降引起墻體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時還可以增加房屋結(jié)構(gòu)的整體性，防止因振動產(chǎn)生的不利影響，并且在設(shè)置圈梁時，還需要連續(xù)地設(shè)在同一水平面上，并形成封閉狀，從而提升基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性。不僅如此，還可以把可用沉降縫在適當(dāng)部位將房屋分成若干剛度較好的單元，把沉降縫的基礎(chǔ)分開，并在房屋四角設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，并且從柱里抽出水平鋼筋與磚墻拉結(jié)，以確保地基能夠有效承載。其次，在設(shè)計過程中，要合理運用底框結(jié)構(gòu)，雖然這一結(jié)構(gòu)兼具經(jīng)濟及實用性，但這一結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，易出現(xiàn)頭重腳輕等情況。使得地震發(fā)生時建筑整體易發(fā)生不均勻變形，其抗扭性能并不能達到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，故而使得房屋裂縫及倒塌的情況更易發(fā)生。因此地震發(fā)生較為頻繁的區(qū)域不宜運用該結(jié)構(gòu)，或即便運用也應(yīng)輔以其他結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保框架結(jié)構(gòu)上下剛度的協(xié)調(diào)均勻。第三，抗震建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑建造的第一步，其完備性、系統(tǒng)性、功能性程度決定著建筑抗震性能的底色。故而設(shè)計過程中設(shè)計人員應(yīng)對高層混凝土建筑的施工情況進行全面的勘察和了解，在實際了解的過程中，包括對具體施工工藝、應(yīng)用材料、預(yù)期建設(shè)位置、地質(zhì)地貌等要素進行全面了解，并形成調(diào)研報告，以此明確設(shè)計過程中的重要節(jié)點，在提升高層混凝土建筑抗震性的同時，實現(xiàn)主體建筑與客觀環(huán)境的協(xié)調(diào)性和一致性，因地制宜地開展設(shè)計工作。最后，設(shè)計團隊?wèi)?yīng)搭建起抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，對地震中發(fā)生損害的有關(guān)建筑進行損害記錄，并比照其原本結(jié)構(gòu)進行地震損害方式、結(jié)構(gòu)塌陷過程的逆向還原，以此為后續(xù)抗震建筑的設(shè)計提供有益參考與啟發(fā)。在實際構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的過程中，主要是通過三維成像技術(shù)，構(gòu)建虛擬的數(shù)據(jù)模型，在滿足全面觀察的同時，還可以結(jié)合演示模式，對建筑在地震中的實際情況進行模擬演示，從而有效加強設(shè)計的針對性和有效性。從而盡量實現(xiàn)科學(xué)合理的力學(xué)模型搭建，進而對主拉應(yīng)力、剪摩理論實現(xiàn)充分利用，來搭建盡可能合理的抗震結(jié)構(gòu)。

4.2充分了解周邊環(huán)境，因地制宜展開設(shè)計

高層混凝土建筑的設(shè)計建造過程中，應(yīng)將對地震等有關(guān)自然災(zāi)害的預(yù)防囊括在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。故而，對建筑位置的合理選擇，能夠顯著提高相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗震能力。位置的選擇應(yīng)依托于相應(yīng)科學(xué)理論，并在對備選位置周邊地形地貌進行廣泛勘探后挑選適合位置后開展工程建設(shè)。這期間應(yīng)注意高層混凝土建筑周邊不應(yīng)出現(xiàn)變電站、發(fā)電廠等安全不穩(wěn)定因素，并盡量將位置選擇在平緩地帶，避開山坡、沼澤等不利于抗震的地點。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的制定應(yīng)在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系框架內(nèi)，而實際施工過程中的結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具備一定的空間調(diào)節(jié)能力。以確保外力影響下結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)具備一定的結(jié)構(gòu)延伸能力，具有依托記憶形狀恢復(fù)至先前形狀的能力。這一做法能夠有效增強結(jié)構(gòu)的抗震性能，并以這一延展性方案延長建筑的耐久性。例如，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中設(shè)計團隊?wèi)?yīng)對建筑周邊環(huán)境進行實地考察，通過構(gòu)建不同專業(yè)人員組成的實地勘察組，對施工地點以及周邊環(huán)境的地質(zhì)狀況實現(xiàn)有效勘測。以此完善設(shè)計結(jié)構(gòu)，對建筑中的關(guān)鍵連接點進行附加式穩(wěn)固措施，在材料的選擇過程中應(yīng)兼顧材料的剛性和可延展性，主要是依托實地市場調(diào)研的方式，結(jié)合抽樣檢查等方式，對材料的實際特點與特性進行了解，堅持“只選對的，不選貴的”的原則，以實現(xiàn)傳統(tǒng)材料和新型抗震材料的兼顧運用，從而在材料方面提升建筑的抗震性。同時對建筑整體重力是否均勻分布進行評估，評估過程需遵循重力均勻?qū)ΨQ的分布原則，利用合理的檢測設(shè)備和檢測技術(shù)，對建筑整體重力進行全面的評估和了解，從而為后續(xù)設(shè)計提供基礎(chǔ)與前提，有效提升高層建筑的抗震性。在評估結(jié)果參考，針對重力分布不均勻的前提，通過依照地形地質(zhì)特點對建筑的重力分布進行實時調(diào)整，從而有效捕捉建筑重力的變化規(guī)律，引導(dǎo)其中的不規(guī)則力，以有效提升建筑整體抗震能力。地震發(fā)生時由于其地質(zhì)表層產(chǎn)生的應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布態(tài)勢，故而作用于地基時這類不規(guī)則力會對地基構(gòu)型產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)撕裂作用。并向上傳導(dǎo)使得建筑整體發(fā)生扭曲變形，進而導(dǎo)致建筑坍塌情況的發(fā)生。不僅如此，在實際進行高層建筑抗震設(shè)計的過程中，由于地震的突發(fā)性特征，故而建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計開展過程，需參照有關(guān)地震數(shù)據(jù)體系，并依托勘測而來的建筑地底基質(zhì)數(shù)據(jù)進行應(yīng)力模擬分析，然后對后續(xù)可能發(fā)生的扭轉(zhuǎn)拉扯情況進行計算評估，以此確認(rèn)房屋結(jié)構(gòu)中各主要連接部位位移標(biāo)準(zhǔn)的范圍，實現(xiàn)最大最小位移剛度的檢測確認(rèn)，從而有效保證地震發(fā)生過程中，房屋位移的一致性。而且，在實際進行建筑設(shè)計的過程中，設(shè)計團隊?wèi)?yīng)進一步對高層混凝土建筑實現(xiàn)位移范疇的整體擬合調(diào)試，以對地震中可能發(fā)生的情況進行預(yù)估，從而及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

4.3建立構(gòu)件受力模型，建立“框—剪力”結(jié)構(gòu)

在對抗震結(jié)構(gòu)進行整體分析時，需要建立各構(gòu)件的受力模型。以此確認(rèn)結(jié)構(gòu)不同部位的不同受力情況，并依托受力模型進行常見地震情況下建筑的應(yīng)力方向、大小分析。以此為基礎(chǔ)采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)性補充措施，以增強地震發(fā)生時建筑抗震性能的穩(wěn)定性。這期間應(yīng)尤其注重豎向結(jié)構(gòu)上建筑的重力分布，以確保結(jié)構(gòu)縱向上各組分受力均勻、結(jié)構(gòu)受力合理且在適中范圍內(nèi)、各受力結(jié)構(gòu)間未發(fā)生交錯，應(yīng)確保各受力組分間層次分明，各司其位。在此基礎(chǔ)上對整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化補充，對補充結(jié)構(gòu)做出對應(yīng)的美學(xué)設(shè)計，以確保建筑抗震性能與美學(xué)特征的雙重提升。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中主體結(jié)構(gòu)下包含多個延性分體系，各延性分體系間應(yīng)進行有效的協(xié)同連接。例如，可建立“框-剪力”結(jié)構(gòu)，以此形成多肢剪力墻結(jié)構(gòu)分系。因為高烈度地震后往往有余震的發(fā)生，故而單一抗震防線的建立并不能有效應(yīng)對余震。因此設(shè)計人員應(yīng)模擬地震發(fā)生情況，在同一平面主體構(gòu)建達到屈服程度后，確保其余抗側(cè)力部件仍能處在彈性延展過程，以此實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)有效屈服能力的躍升。由于鋼筋混凝土自身自重較大，故而底層柱軸力相較于建筑高度成反比態(tài)勢，在設(shè)定固定層高前提下，整軸壓比的抬升是提升固件延性的主要措施，但軸壓比不能過大，不然會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)短柱的形成。結(jié)構(gòu)短柱延性極差，極易導(dǎo)致在地震中發(fā)生剪切破壞，進而使得建筑整體坍塌。以實踐過程中結(jié)構(gòu)短柱的加固為例，設(shè)計團隊在結(jié)構(gòu)短柱已經(jīng)發(fā)生的情況下對其進行加固，有兩個主要的加固設(shè)計方向。首先是對螺旋復(fù)合箍筋的使用，由于建筑框架柱的抗剪能力應(yīng)符合強剪弱彎及剪壓比指標(biāo)，而短柱結(jié)構(gòu)對這一標(biāo)準(zhǔn)并不適用。這時應(yīng)加入螺旋復(fù)合箍筋，以此提升框架柱抗沖剪能力，對混凝土約束實現(xiàn)優(yōu)化，使得短柱抗震能力得到提高。除此之外，還可選用分體柱形式，即將支柱循其豎向進行設(shè)縫，將整體短柱化為若干分體柱，并通過分體柱配筋在柱肢間安裝隔板、摩擦阻尼器等連接件提高柱子的延性及整體抗變形能力。使得地震發(fā)生時短柱的破壞方式由應(yīng)力剪切向整體彎曲轉(zhuǎn)換，從而使得短柱功能向長柱轉(zhuǎn)變，以此實現(xiàn)抗震能力的提升。并且，在實際使用構(gòu)件的過程中，需要針對構(gòu)件加固與參數(shù)的設(shè)置，在實際設(shè)計時，要從現(xiàn)實出發(fā)，充分選用減震性較強進行替代，有效避免構(gòu)件中存在缺陷和誤差。在實際設(shè)置時，可以基于抗震性的特點，通過增加組件、擴大橫切面積的方式，從而對建筑構(gòu)件進行加固，有效提升建筑的抗震性能。不僅如此，在進行構(gòu)件設(shè)計的過程中，應(yīng)該注重構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置，在實際設(shè)置的過程中，要對震動周期、扭轉(zhuǎn)角度、剛度比例等參數(shù)進行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計與計算，從而有效提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性。

5結(jié)語

綜述而論，我國建筑抗震結(jié)構(gòu)整體設(shè)計尚處在開拓期，近些年來的工程實踐已積累一定經(jīng)驗，但理論分析的整體仍需逐步擴衍，這需要全體設(shè)計人員的集體探索，從而實現(xiàn)抗震建筑材料、構(gòu)型、理論方面的全面提升，以有效解決地震中建筑發(fā)生的相應(yīng)問題，助力社會民生的更好發(fā)展。

作者:翟厚智 單位:安徽寰宇建筑設(shè)計院