多高層抗震體系的隔振研究

唐山曹妃甸發展投資集團有限公司 王哲元

多高層抗震體系的隔振研究

唐山曹妃甸發展投資集團有限公司 王哲元

地震是一種隨機震動，有著難以把握的復雜性和不確定性，很難準確測得建筑物所遇到的地震的特性和參數。在結構應力分析方面，由于不能充分考慮建筑結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等因素，也存在欠準確性等問題。在建筑抗震理論遠未達到科學嚴密程度的今天，單靠計算，很難保證房屋具有足夠的抗震可靠度。因此，著眼于提高建筑整體的抗震能力的措施，會越來越受到國內外工程界的重視。

一、高層建筑結構的抗震研究方法

目前，我國的建筑結構抗震設計的基本思想是“三水準設防和兩階段設計”，兩階段設計是達到三水準設防的基本手段，以達到多遇地震(小震)不壞，罕遇地震(大震)不倒的設防目標。

二、高層建筑物的抗震設計原則

1. 剛柔相濟。在建筑抗震設計過程中若一味提高結構抗力，增加結構剛度，在地震發生過程中的地震作用也會相應增大，即在增加結構剛度的同時也增強了地震作用，當地震發生時往往會造成建筑物局部受損，最后導致建筑物整體受損。但若建筑物剛度過柔，雖然可以依靠其柔性消減地震作用，但也容易導致建筑物形變過大而不能繼續使用，甚至在地震發生時導致建筑物整體傾覆。因此在高層建筑設計過程中應做到剛柔相濟，即建筑物在地震過程中要達到既能滿足變形要求又能有效減小地震力的雙重目標。

2. 多道設防。由于每次強震之后都會伴隨多次余震，因此在建筑物的抗震設計中若只有一道設防，則其在余震來臨時，建筑結構將因損傷積累而倒塌。因此，建筑物的抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，在地震發生時由具有較好延性的結構構件協同工作來抵擋地震作用。

三、高層建筑的抗震方法及設計要點

1. 地基選擇。建筑地基應選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻的中硬土場地，但不得同時跨在兩類土壤上，不得采用振陷土作天然地基。同時應遠離河岸，避開不利地形、避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段建造房屋。

2. 恰當的結構材料。從抗震角度來說，結構體系的抗震等級，其實質是在宏觀上控制不同結構的延性要求。這要求我們根據建設工程的各方面條件，選擇既符合抗震要求又經濟適用的結構類別。按此標準衡量，使用不同材料的集中結構類型，依其抗震延性性能優劣的順序是：鋼結構、型鋼混凝土結構、現澆鋼筋混凝土結構、裝配式混凝土結構、配筋砌體結構。

3. 結構的規則性。建筑物尤其是高層建筑物設計應符合抗震概念的設計要求，對建筑進行合理的布局，大地震災害表明，平立面簡單且對稱的結構類型建筑物在地震時具有較好的抗震性能，因為該種結構建筑容易估算出其地震反映，便于采取相應的抗震構造措施進行細部處理。建筑結構的規則性是指對建筑物對立面外形尺寸、抗側力構件布置、承載力分布等多方面因素的要求。建筑物F面應對稱均勻、結構剛度較大，質量沿建筑物豎向變化均勻，同時應保證建筑物有足夠的扭轉剛度以減小結構的扭轉影響，并應盡量使建筑物在豎向上的重力荷載受力均勻，以減少結構內應力和碴向構件間的差異變形對建筑結構產生的不利影響。

4. 加強結構的整體性。

（1）電梯及其他開洞的樓屋面布置應保證結構的連續性。對高層鋼筋混凝土房屋，電梯及其他開洞應盡量居中，不允許電梯及其他開洞靠邊，破壞樓板周邊的連續性，邊部樓屋面板寬度應不小于2m，開洞后剩余樓屋面板的總寬度應不少于5m，并應加強開洞后剩余樓屋面板的厚度及配筋。當滿足不了上述條件時，應補充附加構件，保證樓屋面板在周邊的連續性。

（2）補充附加構件，加強復雜平面高層建筑的整體性。井字形高層建筑，需另加拉梁和外挑板，錯疊平面加斜角板，陰角樓板加斜筋，連體建筑應加強連接部位。

（3）加強屋面的整體性。屋面結構在高層鋼筋混凝土結構建筑中十分重要，屋面一旦破壞，結構就有可能散架，整個建筑結構就會失去整體性，故應加強屋面的整體性。對于高層鋼筋混凝土結構房屋，屋面板厚度不應小于140～150mm，并應配備雙向雙層鋼筋網，配筋率不小于0.25%～0.30%。

（4）加強構件間連接的可靠性。構件之間的連接在地震時一旦遭受破壞，建筑結構就會失去整體性，故必須加強結構構件間的連接，使連接處的強度高于構件強度。應盡量采用全現澆鋼筋混凝土結構，不用或少用裝配式結構；應加強框架節點及梁與柱、樓板與梁、樓板與剪力墻之間的連接與錨固。

四、建筑隔振的其他措施

支撐鋼框架體系是一種理想的抗側力體系，是在框架體系中的某一跨或某幾跨間，沿框架豎向設置由框架梁、柱和支撐斜桿共同構成的支撐桁架，與鋼框架一起共同承擔側向荷載，形成兩道抗側力防線：第一道防線是豎向支撐，第二道防線是框架。常見的鋼框架支撐體系有：框架中心支撐體系和框架偏心支撐體系。

1. 框架中心支撐體系。中心支撐具有較大的側向剛度，在提高結構整體剛度、抗震性能方面能起到一定作用，尤其是在多層鋼結構中，以其設計簡單、施工方便的優點，得到廣泛應用。但在水平地震作用下，中心支撐容易產生側向屈曲，尤其是在往復的水平地震作用下，當結構的受力進入彈塑性范圍時，樓層的抗剪能力和結構的抗側剛度會急劇下降，層間側移不斷增大，最終導致結構整體失穩。

2. 框架偏心支撐體系。偏心支撐框架在彈性階段的剛度接近中心支撐框架，彈塑性階段的延性和耗能能力接近延性框架，是一種高效的鋼結構抗震結構體系，尤其是在高層結構中，能夠充分發揮其耗能梁段屈曲耗能的優點。

五、結論與建議

多高層建筑結構的抗震非常重要，必須全面考慮地基基礎、結構的材料和變形以及非結構附件等方面，因而多高層建筑的抗震研究必將推動和健全建筑結構抗震規范和設計方法的發展。