基于高層建筑中抗震機構設計問題的研究

【摘要】近年來，雖然我國的高層建筑施工工藝已經有了長足的發展，但是抗震結構仍然存在很多問題，由于抗震結構的錯綜復雜性，對存在問題的解決也是具有挑戰性的。本文論述了建筑的抗震結構原理、常見問題以及主要的抗震措施。

【關鍵詞】高層建筑；抗震結構；設計；問題；措施

隨著我國經濟的快速發展，高層建筑也越來越多，在這種情況下必須做好抗震設計。設計人員在高層建筑抗震設計中，都是按照抗震結構設計規范進行的，他們希望設計的結構能夠達到強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，從而經濟地實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目的，但是在實際設計中，卻不能達到這種效果。本文將從抗震結構設計的基本原則、我國高層建筑抗震設計常見的問題以及提高抗震性能措施三個方面對高層建筑的抗震結構進行闡述。

一、高層建筑抗震結構設計的基本原則

1、結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能。（1）結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱（墻）”的原則；（2）對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力；（3）承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

2、盡可能設置多道抗震防線。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過程中若只有一道設防，則其在首次被破壞后而余震來臨時其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。當遭遇第二設防烈度地震即低于本地區抗震設防烈度的基本烈度地震時，結構屈服進入非彈性變形階段，建筑物可能出現一定程度的破壞，但經一般修理或不需修理仍可繼續使用。因此，要求結構具有相當的延性能力不發生不可修復的脆性破壞。當遭遇第三設防烈度地震即高于本地區抗震設防度的罕遇地震時，結構雖然破壞較重，但結構非彈性變形離結構的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發生危及生命的嚴重破壞，從而保證了人員的安全。

3、對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。（1）構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎；（2）要使樓層（部位）的實際承載能力和設計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層（部位）的比值有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中；（3）要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協調；

（4）在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層（部位），使之有足夠的變形能。

二、我國高層建筑抗震設計常見的問題

1、工程地質勘查資料不全

在設計初期，設計人員應該及時掌握施工場地的地質情況，但是往往在設計過程中，卻沒有建筑場地巖土工程的勘察資料，就不能很好的進行地基設計，給建筑物的結構帶來安全隱患。

2、建筑材料不滿足要求

對于材料而言，我們要明確這樣一個道理：地震對結構作用的大小幾乎與結構的質量成正比。一般說在相同條件下，質量大，地震作用就大，震害程度就大，質量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑物的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻以及屋面構件中，廣泛采用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶粒混凝土、加氣混凝土板、空心塑料板材等輕質材料，將能顯著改善建筑物的抗震性能。

3、建筑物本身的建筑結構設計

建筑物如果平面布置復雜，致使質心與剛心不重合，在地震作用下產生扭轉效應，加劇了地震的破壞作用，海城地震和唐山地震中有不少類似震害實例。臺灣9.21地震中，一棟鋼筋混凝土結構由于結構平面不規則，在水平地震作用下，結構產生嚴重扭轉效應而破壞倒塌，同時撞壞相鄰建筑上部的陽臺。

4、平面布局的剛度不均

抗震設計要求建筑的平、立面布置宜規正、對稱，建筑的質量分布和剛度變化宜均勻，否則應考慮其不利影響。但有的平面設計存在嚴重的不對稱：一邊進深大，一邊進深小；一邊設計大開間，一邊為小房間；一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。平面形狀采用L、π形不規則平面等，造成了縱向剛度不均，而底層作為汽車庫的住宅，一側為進出車需要，取消全部外縱墻，另一側不需進出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均。這些都對抗震極為不利。

5、防震縫設置不規范

對于高層建筑存在下列三種情況時，宜設防震縫：（1）平面各項尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》（JGJ3- 91）中表2.2.3 的限值而無加強措施；（2）房屋有較大錯層；（3）各部分結構的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施；但有的竟未采取任何抗震措施又未設防震縫。

6、結構抗震等級掌握不準

結構抗震等級有的提高了，而有的又降低了，主要是對場地土類型、結構類型、建筑高度、設防烈度等因素綜合評定不準造成。

上述這些問題的存在，倘若不能得到改正，勢必對建筑物的安全帶來隱患。上述這些問題的原因是多方面的，這就需要設計人員從設計的角度避免這些問題的出現，防止將這種問題帶入施工中，應該高層建筑的抗震性能。

三、提高抗震性能措施

1、選擇合理結構類型

在高層建筑中，其豎向荷載主要使結構產生軸向力，而水平荷載主要使結構產生彎矩，隨著高度的增加，在豎向荷載不變的情況下，水平荷載作用力增加，此時豎向荷載所引起的建筑物側移很小，但是水平荷載參數的側移就非常大，與高度層四次方變化，因此在高層建筑中，主要對水平荷載進行控制，在設計過程中，應該在滿足建筑功能及抗震性的前提下，選擇切實可行的結構類型，使其具有良好的結構性能。目前大多數的高層建筑都采用了鋼混結構，這種結構具有較大的剛度，空間整體性好，材料資源豐富，可組成多種結構體系。但是其變形能力差，造價相對較高，當場地特征周期較長時，容易發生共振現象。

2、減小地震能量輸入

具有良好抗震性能的高層建筑結構要求結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求，因此在設計過程中除了控制構件的承載力外還應控制結構在地震作用下的層間位移極限值或位移延性比， 然后根據構件變形與結構位移的關系來確定構件的變形值，同時根據截面達到的應變大小及分布來確定構件的構造要求，選擇堅硬的場地土來建造高層建筑等方法來減小地震能量的輸入。

3、減輕結構自重

對于同樣的地基條件下進行建筑結構設計若減輕結構自重則可相應增加層數或減少地基處理造價，尤其是在軟土基礎上進行結構設計這一作用更為明顯，同時由于地震效應與建筑質量成正比，而高層建筑由于其高度大重心高等特點，在地震作用時其傾覆力矩也隨之增加， 因此， 為了盡量減小其傾覆力矩應對高層建筑物的填充墻及隔墻盡量采用輕質材料以減輕結構自重。

四、結語

總之，面對中國的高層建筑抗震結構存在的諸多問題，限于我國作為一個發展中國家的財力、物力，探討、研究有效的建筑抗震措施的任務仍然十分艱巨。與此同時，我國政府相關部門也應該加強規范力度，發揮好對高層建筑防震措施的檢查、檢驗效力。

參考文獻

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