我國高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

王海翠

摘要 在高層建筑工程項目建設(shè)中，抗震設(shè)計是整個建筑工程最為重要的環(huán)節(jié)，在設(shè)計中需要綜合考慮到多方面的因素。本文結(jié)合工作實(shí)踐分析了我國高層建筑抗震設(shè)計中存在的問題，并提出了一些自己的看法，希望對同行們有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞 高層建筑；抗震結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計

中圖分類號TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0029-02

0引言

20余年來，世界上一些大城市先后發(fā)生了若干次大地震，有不少高層建筑遭受破壞或倒塌。通過震害分析及專門研究，對高層建筑的破壞規(guī)律逐步有了更多的認(rèn)識。在一次大地震中破壞嚴(yán)重的往往不是高層建筑。正確設(shè)計與良好施工的高層建筑在強(qiáng)震作用下可以具有可靠的抗震性能。當(dāng)然高層建筑遭到地震破壞會比一般建筑帶來更大的生命和經(jīng)濟(jì)上的損失，因此必須慎重對待。高層建筑抗震是通過結(jié)構(gòu)耗能來實(shí)現(xiàn)，因此必須采取有效措施保證整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件具有較高的延性，否則在大震作用下就可能造成嚴(yán)重破壞。對高層建筑而言，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)必須有足夠的承載力和抗轉(zhuǎn)動能力。同一地區(qū)的房屋由于設(shè)計考慮不同，結(jié)構(gòu)的抗震能力有較大差別，這也是同一地震造成建筑的不同程度損失的一個重要因素。

1 我國高層建筑抗震設(shè)計中存在問題的反思

1.1高度問題

按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）規(guī)定，許多混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑的高度超過了國家規(guī)定的高度。對于這種超過國家高度限制的高層建筑項目，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇胧菏紫缺仨氁?jīng)過相關(guān)專家的論證，其次要進(jìn)行模型振動臺試驗。在地震力影響下，超過國家高度限制的高層建筑項目的變形破壞性態(tài)會發(fā)生巨大的變化。因為隨著建筑項目高度的不斷增加，許多影響因素也會跟著發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，例如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。

1.2材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值；此外，在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

1.3軸壓比與短柱問題

在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)中，往往為了控制柱的軸壓比兩使柱的斷面很大，而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋。即使采用高強(qiáng)混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比是為了使柱子處于大偏壓狀態(tài)，防IE受拉鋼筋未達(dá)屈服而混凝土被壓碎，柱的塑性變形能力小，則結(jié)構(gòu)的延性就差。當(dāng)遭遇地震時，耗散和吸收地震能量少，結(jié)構(gòu)容易被破壞。

2 高層建筑抗震設(shè)計的對策

高層建筑抗震設(shè)計除了選擇合理的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系以及必要的計算分析以外，更重要的是在設(shè)計中全面考慮以下幾點(diǎn)要求：

1）結(jié)構(gòu)的承載力和剛度要均勻連續(xù)分布適應(yīng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的要求。結(jié)構(gòu)某一部位超強(qiáng)或強(qiáng)度不足，在地震作用下都可能形成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位而導(dǎo)致破壞。以上不僅是對主體結(jié)構(gòu)而言，非結(jié)構(gòu)墻體的不規(guī)則和不連續(xù)布置也會引起同樣的后果。底層相對薄弱比上層相對薄弱更為不利。要控制剛度和承載力的變化幅度，進(jìn)行必要的變形分析。高層建筑的頂部往往有突出的塔樓。由于高振型的作用對塔樓要求有較高的承載力與延性，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往不能滿足要求，可以采用型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)然要注意兩類結(jié)構(gòu)的連接；

2）盡可能從設(shè)計和構(gòu)造上實(shí)現(xiàn)多道抗震防線。例如框架結(jié)構(gòu)首先是框架梁屈服，最后是柱屈服。在框剪結(jié)構(gòu)中第一道防線是剪力墻的約束梁，其次是剪力墻和框架。在剪力墻結(jié)構(gòu)中利用連梁的屈服耗能防止或推遲剪力墻肢的屈服。要實(shí)現(xiàn)這一要求必須根據(jù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)控制各部件的強(qiáng)弱關(guān)系；

3）控制結(jié)構(gòu)的屈服部位盡可能實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)制，也就是橫向構(gòu)件屈服而豎向構(gòu)件除根部外均處于彈性。例如框架結(jié)構(gòu)要求強(qiáng)柱弱梁，剪力墻結(jié)構(gòu)要求強(qiáng)墻肢弱連梁等。要完全實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)制，需要有較大的強(qiáng)弱差別，在設(shè)計中可以按照不同抗震標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)掌握；

4）平面和外型比較復(fù)雜的建筑，為了減輕破壞防止倒塌各結(jié)構(gòu)單元之間可以設(shè)縫徹底分離也可以不設(shè)縫而加強(qiáng)連接。對于高層建筑而言應(yīng)盡可能創(chuàng)造條件不設(shè)防震縫，這樣對于建筑處理、防止碰撞以及提高抗倒塌能力都是有利的。當(dāng)然不設(shè)縫要考慮剛度突變、沉降不均等不利作用。必須設(shè)縫時，縫寬除考慮結(jié)構(gòu)的側(cè)移外還應(yīng)考慮由于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動帶來的位移增大影響；

5）節(jié)點(diǎn)連接的承載力和剛度要與構(gòu)件的承載力和剛度相適應(yīng)。節(jié)點(diǎn)的抗力應(yīng)大于被連接構(gòu)件的全截面抗力。要從構(gòu)造上采取措施避免節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力過早退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過大而失穩(wěn)破壞。這對于無支撐體系的框架特別是裝配式鋼筋混凝土框架是非常重要的問題。裝配式鋼筋混凝土大板結(jié)構(gòu)剪力墻的連接，特別是水平連接很難保證接縫密實(shí)均勻受力，在強(qiáng)震作用下容易產(chǎn)生樓層滑移影響整體穩(wěn)定。加強(qiáng)剪力墻的豎向邊緣結(jié)構(gòu)或沿豎向施加預(yù)應(yīng)力可以增強(qiáng)抗滑移能力。

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