抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張念華

（廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東 東莞 523000）

抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張念華

（廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東 東莞 523000）

高層建筑是人類發(fā)展的必然產(chǎn)物。地震作為一種不確定性的自然災(zāi)害，具有毀滅性的危害。為了確保高層建筑的質(zhì)量，在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)就必須考慮其抗震功能。本文主要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震概念設(shè)計(jì)的發(fā)展、設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，希望對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

高層建筑；地震；抗震概念設(shè)計(jì)

地震作為最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，一旦發(fā)生，就會(huì)給社會(huì)帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。近幾年來，國內(nèi)外地震災(zāi)害頻發(fā)，無情地剝奪了上百萬人的生命（如表1）。而這些傷害基本上都是由于建筑物的倒塌引起的，尤其是高層建筑。若在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中能加強(qiáng)抗震概念的設(shè)計(jì)，將會(huì)從一定程度上減小損失。因此，如何才能夠提高高層建筑的抗震性能的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了建筑行業(yè)研究的重點(diǎn)工作。

一、抗震概念設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一些計(jì)算方法，但是這些方法主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)，而忽略了對(duì)整體結(jié)構(gòu)的考慮。因此，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論并不能完全地適用于高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，照本宣科式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能滿足現(xiàn)代建筑物的要求。在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)師們都會(huì)融入概念設(shè)計(jì)。抗震概念設(shè)計(jì)是指根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)和地震災(zāi)害的發(fā)生情況，從整體上研究工程項(xiàng)目的抗震決策，包括使用材料的種類、抗震方案以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造等等方面。

二、抗震概念的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1 選用規(guī)則的結(jié)構(gòu)

建筑體形和結(jié)構(gòu)的總體規(guī)劃在高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要，因?yàn)閲鴥?nèi)外許多在地震中倒塌的建筑都是由于不合理的建筑體形和結(jié)構(gòu)的總體規(guī)劃而引起的。建筑形體是指建筑的水平面和垂直面；結(jié)構(gòu)的總體規(guī)劃是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在水平面和垂直面上的布置。規(guī)則的水平面和垂直面對(duì)于抗震是有利的。平面形狀越簡單、均勻、規(guī)則，對(duì)于抗震越有利。因?yàn)橐?guī)則的平面能均勻地承受載荷作用，結(jié)構(gòu)的整體性能好。高度方向的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該要連續(xù)，從而使結(jié)構(gòu)的側(cè)向的剛度自上而下連續(xù)，杜絕薄弱層的出現(xiàn)。

2 選用合理的傳力途徑

當(dāng)前的大多數(shù)高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)都是以計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算為基礎(chǔ)的，為了使計(jì)算結(jié)果更加可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算方法非常熟練。在計(jì)算機(jī)運(yùn)算的基礎(chǔ)上得出結(jié)構(gòu)件在受力狀態(tài)下的計(jì)算簡圖，再利用力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型對(duì)地震反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而得到需要的結(jié)果。其中結(jié)構(gòu)的傳力途徑要盡量簡單、直接。

表1 國內(nèi)外近幾年的大地震

3 選用合理的結(jié)構(gòu)材料

抗震結(jié)構(gòu)出了要求有一定的剛度之外，還應(yīng)該有一定的延性。延性好的材料能夠增加高層建筑的抗震能力，比如鋼筋以及鋼筋混凝土。延性是衡量結(jié)構(gòu)件變形能力的一種指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)件對(duì)能量吸收能力的體現(xiàn)。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的基本原則（小震不壞，中震可修，大震不倒），建筑的結(jié)構(gòu)件都應(yīng)該具有延性。結(jié)構(gòu)件的塑性變形可以存儲(chǔ)一部分地震的能量，因此在小震當(dāng)中可以做到不倒塌。結(jié)構(gòu)件具有延性可以減低對(duì)其剛度和承載力的要求，從而可以減少材料的用量，從一定程度上降低了建筑成本。

4 選擇合適的場(chǎng)地和基地

經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外一些大地震的調(diào)查，結(jié)果表明建筑物的破壞與當(dāng)?shù)氐木植康匦斡泻艽蟮年P(guān)系。除此之外，地基的圖層、斷層以及砂土等因素對(duì)建筑物的破壞也有一定的影響。場(chǎng)地表層覆蓋層厚度越小，土質(zhì)越硬，建筑物的穩(wěn)定性就越高。發(fā)生地震時(shí)，建筑物的地基就不容易失效。反之，覆蓋層厚度越大，土質(zhì)越軟，地震的放大效應(yīng)就越強(qiáng)。所以，在進(jìn)行高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)，一定要選擇土質(zhì)堅(jiān)硬的基地，從而減小地震的放大效應(yīng)。

5 設(shè)置多條抗震防線

在進(jìn)行高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)，不論選擇哪種材料、哪種結(jié)構(gòu)，都應(yīng)要設(shè)置多條抗震防線。每次地震的時(shí)間都不盡相同，且余震不斷。因此，連續(xù)的地震會(huì)對(duì)高層的建筑物進(jìn)行反復(fù)的沖擊，使建筑物遭受到累積性的破壞。假如高層建筑物僅僅只設(shè)置了一道防線，那么就只能遭受到一次破壞，對(duì)連續(xù)的破壞毫無抵抗力。如果設(shè)置了多道防震體系，當(dāng)?shù)谝坏婪谰€被破壞時(shí)，還有第二道，第三道可以對(duì)高層建筑物進(jìn)行保護(hù)。這種抗震設(shè)計(jì)方法不僅經(jīng)濟(jì)，而且實(shí)用。

6 合理地處理非結(jié)構(gòu)件

高層建筑物種的內(nèi)隔墻、外圍墻板、樓梯踢踏板以及框架填充墻等等非結(jié)構(gòu)件在地震過程中也會(huì)承受不同程度的承載力，它們可能會(huì)影響一些結(jié)構(gòu)件的傳力路線、剛度以及承載力，從而能夠產(chǎn)生意想不到的抗震效果。合理地處理這些非結(jié)構(gòu)件，可以在一定程度上增加高層建筑的抗震能力。

7 提高結(jié)構(gòu)的整體性

要想建筑物中的各個(gè)部件在地震當(dāng)中能夠協(xié)同工作，就要求建筑物的有高的結(jié)構(gòu)整體性。建筑物只有在地震當(dāng)中不喪失整體性，才能有良好的抗震能力。建筑物空間結(jié)構(gòu)整體的剛度和穩(wěn)定性決定了其抗震能力。鋼筋混凝土的剛度和整體性的好壞將決定于施工的質(zhì)量。施工質(zhì)量好的鋼筋混凝土可以消除散落的滑移問題、增強(qiáng)樓板的剛度，從而增加建筑物結(jié)構(gòu)的整體性。

8 減輕建筑物的自重

為了減低地基對(duì)建筑物的承載力以及建筑物的傾覆力矩和P-Δ效應(yīng)，就必須減輕建筑物的自重。因此在高層建筑物的設(shè)計(jì)過成當(dāng)中，應(yīng)盡量選用強(qiáng)度高，密度小的材料，比如室內(nèi)的墻盡量采用輕質(zhì)的材料。建筑物的自重減輕之后，就能減少對(duì)基地的壓力，從而降低建筑物承受的地震力。

結(jié)語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是種技術(shù)，某種程度上更是一門藝術(shù)。無論什么設(shè)計(jì)，它都沒有唯一的答案，只有通過不斷的比較、研究，才能找到最優(yōu)方案。這就要求設(shè)計(jì)師們不懈努力地去追求完善的設(shè)計(jì)方案。隨著社會(huì)的發(fā)展，高層建筑的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能盲目地照搬課本上的規(guī)范和計(jì)算機(jī)程序，需要?jiǎng)?chuàng)新。總而言之，一幢建筑物，要想做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”，就應(yīng)該要做好文中所提到的幾個(gè)重點(diǎn)。高層建筑物中的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加人性化，更加合理化。除此之外，抗震概念設(shè)計(jì)不僅拓寬了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，同時(shí)還為高層建筑的設(shè)計(jì)提供了新的方向，在建筑行業(yè)當(dāng)中發(fā)揮了重要的作用。

[1]王亞勇.汶川地震建筑震害啟示-抗震概念設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29（04）：20-25.

[2]黃存漢.建筑抗震設(shè)計(jì)技術(shù)措施[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001（07）：125-110.

TU97

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.060