高層建筑抗震設(shè)計(jì)中存在的若干問題及對策

于孝軍

(新疆廣維現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830002)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)中存在的若干問題及對策

于孝軍

(新疆廣維現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830002)

高層建筑的快速普及對抗震設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求,面對諸多問題,要探尋解決對策達(dá)到抗震需求。本文結(jié)合高層建筑抗震設(shè)計(jì)分析了其存在的若干問題,并探討了解決問題的舉措,希望能為高層建筑抗震設(shè)計(jì)提供參考。

抗震設(shè)計(jì) 高層建筑 扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 問題 對策

隨著當(dāng)前人們生活水平不斷上升，對居住環(huán)境要求也越來越高，高層建筑普及率大幅度提升，成為建筑工程中占據(jù)比例最高的建筑種類。高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到抗震因素，做好抗震設(shè)計(jì)，以此來確保建筑的安全性。高層建筑抗震設(shè)計(jì)中要確保鋼度、強(qiáng)度、延性與耗能力等達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，解決諸如結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件延性和剛度分布等問題。下面我們結(jié)合高層建筑設(shè)計(jì)談下抗震設(shè)計(jì)中存在的若干問題，探究解決對策。

1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)中存在的問題

高層建筑抗震設(shè)計(jì)中面臨著不少問題。設(shè)計(jì)初期，施工現(xiàn)場工程地質(zhì)勘查資料不全是引發(fā)問題的重要因素，現(xiàn)場勘查精確度較差，對巖土地質(zhì)情況把握不準(zhǔn)，給設(shè)計(jì)工作帶來難度，準(zhǔn)確資料的缺乏致使設(shè)計(jì)無法最大限度的解決安全隱患，設(shè)計(jì)好建筑地基。對高層建筑而言，地震對其結(jié)構(gòu)的影響與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量成正比關(guān)系，建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量越大，地震帶來的損害程度就越嚴(yán)重，反之則損害較輕[1]。所以，相同條件下，建筑材料的選擇要嚴(yán)格考慮抗震需求，比如樓板、框架、墻體、隔斷、屋面構(gòu)件以及圍護(hù)墻等，都要盡量選擇一些質(zhì)量較輕鋼度與強(qiáng)度滿足需求的輕質(zhì)材料，如硅酸鹽砌塊、空心塑料板材、多孔磚、陶粒混凝土等，提升建筑物抗震性能。

在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，過于復(fù)雜的平面布置和設(shè)計(jì)會影響剛心與質(zhì)心的重合，面對地震時(shí)會發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，加劇對高層建筑的損害，在近幾年發(fā)生的汶川地震、青海玉樹地震中就有不少實(shí)際案例，高層建筑因結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則在地震過用下發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)效應(yīng)繼而倒塌，并損害周圍相鄰建筑。在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，其立面、平面布置要考慮對稱和規(guī)正，以確保建筑質(zhì)量和剛度的分布與變化成均勻狀態(tài)，否則應(yīng)該考慮其帶來的不利影響。比如有些平面設(shè)計(jì)嚴(yán)重不對稱，一邊大開間一邊小房間，一邊為柱承重一邊為落地承重墻，造成剛度分布不均衡，在面臨地震時(shí)，抗震能力受影響。有些高層住宅平面設(shè)計(jì)為L、π形等不規(guī)則平面，造成縱橫向剛度不均。

根據(jù)高層建筑情況，有些必須通過設(shè)置防震縫來達(dá)到抗震效果，在國家頒布的《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中規(guī)定了應(yīng)該設(shè)置防震縫的三種情況，比如房屋有較大錯層、部分結(jié)構(gòu)剛度與載荷相差懸殊且缺乏有效改善措施、未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)或設(shè)置抗震措施的高層建筑等，防震縫的設(shè)置能夠有效解決以上三種情況帶來的地震威脅[2]。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級的把握是設(shè)計(jì)時(shí)的重要指導(dǎo)原則，對抗震等級把握不準(zhǔn)是設(shè)計(jì)大忌，影響抗震等級的有建筑高度、場地巖土類型、結(jié)構(gòu)類型、設(shè)防烈度等，對這些因素評估不準(zhǔn)會影響結(jié)構(gòu)抗震等級的把握和抗震設(shè)計(jì)。

面對以上這些存在的典型問題，高層建筑在抗震設(shè)計(jì)中必須予以重視，以消減地震來臨時(shí)可能造成的損害，降低安全隱患，提升建筑抗震性能。

2 解決高層建筑抗震設(shè)計(jì)問題的對策

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)要考慮結(jié)構(gòu)規(guī)則性，符合抗震概念設(shè)計(jì)要求，對建筑進(jìn)行合理布置。有研究表明，地震災(zāi)害中抗震效果最好的結(jié)構(gòu)類型為平立面簡單且結(jié)構(gòu)對稱的建筑，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)容易估計(jì)模擬地震反應(yīng)，在采取相對應(yīng)的抗震措施方面也較為方便，易于對細(xì)節(jié)部分加強(qiáng)處理。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮規(guī)則性就需要在承載力的分布、平立面外形與尺寸、抗側(cè)力構(gòu)建布置等多個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以達(dá)到抗震設(shè)計(jì)需求，結(jié)構(gòu)鋼度、建筑質(zhì)量分布均勻，且有足夠的扭轉(zhuǎn)鋼度消減扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，滿足豎向上重力荷載分布需求，最大限度的減少高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和豎向構(gòu)件間差異變形帶來的不利影響。高層建筑的高寬比一般都較大，地震與風(fēng)力作用下會產(chǎn)生較大的層間位移，有些甚至超過位移限值。目前建筑理論研究認(rèn)為這些位移限值的大小主要與建筑材料、結(jié)構(gòu)體系、側(cè)向荷載等因素密切相關(guān)，如鋼筋混凝土的位移限值就比鋼結(jié)構(gòu)要更為嚴(yán)格，風(fēng)力荷載限值比地震限值更加嚴(yán)格。因此，抗震設(shè)計(jì)時(shí)要深入分析并考慮高層建筑所處的地理位置和設(shè)計(jì)情況，確保其剛度滿足需求的情況水平荷載作用帶來位移不會超過限值以影響建筑的穩(wěn)定性、承載力和使用功能。

大量實(shí)際案例表明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在地震中帶來的建筑損害十分巨大，所以抗震設(shè)計(jì)中必須控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，此類效應(yīng)更容易發(fā)生在平面布置不規(guī)則且鋼心與質(zhì)心不重合的高層建筑中，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不僅導(dǎo)致水平位移和扭轉(zhuǎn)性破壞，甚至?xí)l(fā)建筑整體倒塌，所以設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算扭轉(zhuǎn)系數(shù)并予以修正十分關(guān)鍵。高層建筑在扭轉(zhuǎn)作用力下各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)層間變形不同，位移不同，剛度變化與剛度中心的變化也會帶來巨大差異，所以，要分別針對各層的扭轉(zhuǎn)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并修正，以規(guī)避各層結(jié)構(gòu)的偏心距和扭矩發(fā)生改變[3]。計(jì)算中要嚴(yán)格控制位移比和周期比兩個指標(biāo)，在無法滿足結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)進(jìn)行分析調(diào)整。面對周期比不能滿足要求的情況可適當(dāng)通過加大抗側(cè)力構(gòu)建界面或增加構(gòu)建數(shù)量的辦法予以解決，消減鋼心和質(zhì)心的偏差，增大建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。減少地震能量輸入的設(shè)計(jì)在高層建筑中應(yīng)用較為普遍，這種設(shè)計(jì)能夠滿足地震作用下高層建筑的變形要求，符合位移限值和位移延性比要求，滿足結(jié)構(gòu)位移和構(gòu)件變形需求，消減地震對建筑的損害作用。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要選擇合理的結(jié)構(gòu)類型，滿足抗震需求前提下保障建筑結(jié)構(gòu)性能，盡可能的設(shè)置多道抗震放線，以最大限度的吸收和耗散地震能量，提升建筑抗震性能，減少地震帶來的損害[4]。

總之，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)方法和技術(shù)處在不斷進(jìn)步中，要結(jié)合建筑實(shí)際情況設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)，以消減地震作用力，增強(qiáng)建筑抗震性能。

[1]郭霞飛.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想與工程實(shí)例分析[J].四川建材,2010(3).

[2]徐培福,戴國瑩.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012(1).

[3]趙靜濤,鄒慕燕,趙宇鵬.超限框支高層抗震墻建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2011(2).

[4]黃武藝,邱開旺.超限高層建筑工程的抗震設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2013(12).

于孝軍,性別:男,民族:漢,出生年月:1987年5月30號,單位:新疆廣維現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,職稱:助理工程師:學(xué)歷:碩士。