高層建筑抗震構造研究

楊紫健

【摘要】地震是現今人類所面臨的最嚴重自然災害之一，抗震構造研究是建筑設計工作的重點。本文從確保結構的整體性、提高構件延性、減小扭轉效應三個方面研究高層建筑的抗震構造。

【關鍵字】高層建筑 抗震構造

一、引言

地震是現今常見自然災害，雖然大地震中破壞最嚴重的往往不是高層建筑，但是高層建筑遭地震破壞會比一般房屋造成更大的人員傷害和財產損失。1914年，日本的佐野利器教授首次提出“抗震結構”這一概念，主張通過提高建筑結構的剛度來抵抗地震。

二、高層建筑抗震構造設計原則

設計是先行，因此抵抗震害的工程對策，必須通過設計實現。既是依據不同建筑，不同場地，根據現行的國家抗震設計規范，從設計計算、結構選型和構造措施上實行抗震設防，確保“小震不壞、中震可修、大震不倒”。[1]

三、高層建筑抗震構造

3.1 確保結構的整體性

結構的完整是確保結構各部份在地震作用下互相協調工作的前提條件。要保證結構有足夠的抗震可靠度，就應使結構在地震作用下保持整體性。現澆型鋼混凝土結構和鋼筋混凝土結構有完整性好、水平剛度大等優點，是較理想的抗震構件，這種結構能消除散落、滑移問題，增加結構整體性及樓板的剛度，且因為以剪切變形為主的砌體結構，層間的變形是可控的，所以可適當放寬對平面上墻體對齊要求。較強的屋蓋及樓板水平剛度能使荷載傳遞具備良好條件，當平面上上下墻體不齊時，現澆屋蓋和樓板可起到一定傳遞水平力的作用，樓、屋蓋現澆同時也加強了對墻體的約束。在合適部位加設構造柱，并放置些構造鋼筋，也可以加強結構整體性；另外，設置配筋圈梁能夠限制散落，增加空間剛度，提高結構整體的穩定，進而提升房屋抗震性能。[2]

3.2提高構件延性

結構延性反映了結構的變形能力，是防止結構在大地震下倒塌的關鍵因素之一。為了增強結構在遭遇大地震作用時的抗倒塌能力，結構應具有較高的延性。對結構延性的要求具體體現在對構建延性的要求上。

鋼筋混凝土的框架梁，在其受壓區放置一定量的縱向鋼筋可以降低梁截面受壓區的高度，增強梁端的轉動性能，進而提升梁的變形能力。實驗證明，當梁截面受壓區的相對高度在0.2到0.35時，它的曲率延性系數可達4左右。因此，應該限制梁端截面受壓區的相對高度。此外，在梁端塑性鉸區縱筋屈服的區域內設置加密的封閉式箍筋可以提高此范圍的壓區混凝土極限壓應變，并能夠防止在塑性鉸區的壓筋過早的壓屈及最終發生剪切破壞，進而保證梁有比較大的延性。 而鋼筋混凝土的鋼架柱，實際震害顯示，在反復的地震作用下，首先剝落的往往是柱端保護層。在此時的壓力作用下，若沒有充足的箍筋約束，縱筋會向外膨曲，則柱端破壞。箍筋對柱子核芯區的混凝土有較強的約束力，增加配箍率能夠顯著提升受壓混凝土極限壓應變，從而提升柱子的變形性能。因此，在框架柱的梁端應當設置加密的封閉式箍筋（間距小于縱筋直徑的6至8倍）。對于短柱，由于其變形力差，需沿整個高度設置加密箍筋。此外，柱子中的配箍形式對變形能力同樣有較大影響。相關實驗研究表明，選取螺旋箍、復合螺旋箍或者連續復合螺旋箍能夠明顯提高柱子的極限變形水平。 提高柱的延性和降低軸比限值要求的另一種措施就是在柱內放置矩形核芯柱和應用混凝土與鋼管雙重組合柱。這類柱子的變形能力和受壓承載力皆有較大提升，在大變形情況下芯柱能有效減少柱的壓縮，保持柱子的外形及截面的承載力，特別對承受高壓軸的短柱來說，更利于提升變形能力，延遲倒塌。對于鋼筋混凝土剪力墻，在墻端部配置邊緣構件（明柱、暗柱、翼柱），邊緣構件其本身就是剪力墻的一部分，不可套用一般梁與柱連接的方法，因為它同剪力墻之間的連接就是相同構件間的連接。把墻體縱向的鋼筋量大部分集中在兩端邊緣的構件那，并在邊緣構件放置充足的橫向箍筋來約束當中的混凝土，能夠防止開始的斜裂縫貫穿墻體，能較大提升剪力墻的變形能力。剪力墻的水平分布筋是照整片墻肢實行配置以抵抗水平地震作用所產生的剪力的，可以把水平分布筋伸到墻肢端部，同時垂直的彎折15d。利用邊緣構件的箍筋提升混凝土的受壓能力，約束混凝土，使剪力墻在地震作用下具備良好的耗能及延性能力。[3]另外，剪力墻的塑性鉸大多發生在底部，為了使剪力墻出現塑性鉸之后仍具備較強的延性，在此范圍要加強構造措施（如增加墻體厚度、增加抗剪箍筋、配置約束邊緣構件等），提高抗剪切破壞能力。

上述構造措施主要是增強各類構件的抗剪能力，使其在強烈地震作用時，不致于在結構延性尚未發揮出來就出現非延性剪切破壞。進而確保達到規范所要求的“強剪弱彎”。3.3減小扭轉效應 為了減小扭轉效應，平面分布應力求均勻，剛度中心同建筑物中心應盡量接近。高寬比超過2的剪力墻應設計為彎曲破壞的延性剪力墻來避開脆性的剪切破壞，可以把長的剪力墻變成若干均勻的獨立段。由于其受剪脆性容易被破壞，相鄰墻段間應用樓板或弱連梁連接；短肢剪力墻結構應用于住宅，既有利于建筑的布置，又可以減輕其結構自重。但因為抗震性能比較差，8度設防區的層數較多時，應謹慎采用。可在短肢剪力墻中設置一般或筒體剪力墻，成為短肢剪力墻同一般剪力墻一起抵抗水平力的結構。在抗震設計時，筒體及一般剪力墻所承受的第一振型的底部傾覆力矩應該大于結構底部的地震傾覆力矩50％。在水平地震作用下，高層的短肢剪力墻主要體現為整體彎曲變形，底部及外圍小墻肢承因為豎向荷載大，破壞嚴重，尤其是一字形的小墻肢破壞最嚴重。可通過增加建筑物周邊的墻肢長度和連梁高度抵消扭轉不規則，進而明顯增大結構抗扭剛度。為了增加墻肢承載力和延性，需加強邊緣構件的配筋，增大墻肢箍筋和縱筋的配筋率，嚴格把握軸壓比。 四、小結

地震對建筑的損毀非同小可，高層建筑尤為重要，故本文從確保結構的整體性、提高構件延性、減小扭轉效應等方面進行初步研究。另外，抗震工作還應實行“預防為主”的方針，合理的設計是關鍵，既要做到保持結構的整體性，又要兼顧抗震設計的合理性、科學性。總之，抗震工作任重道遠，需要不懈的研究探索與實踐進取，希望這些研究對高層建筑的有效抗震有所裨益。

參考文獻

[1] 林協榮.高層住宅剪力墻結構設計淺析[J].建筑設計,2010,(15):333-334.

[2]李華云.略論高層建筑的抗震設計[J].中國住宅設施,

[3]呂西林,蔣歡軍主編.結構地震作用和抗震概念設計[M].武漢:武漢理工大學