高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

蔡成文

（西南大學(xué)，重慶 400715）

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

蔡成文

（西南大學(xué)，重慶 400715）

高樓的抗震設(shè)計已經(jīng)成了建設(shè)高樓之前必須進(jìn)行的一項工作。而高樓的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計也變得復(fù)雜多樣，該文針對高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了簡要分析。

高層建筑； 抗震結(jié)構(gòu)； 設(shè)計研究

我國東南沿海以及四川盆地和青藏高原正是處于地殼運動比較強(qiáng)烈的地區(qū)，這些地區(qū)發(fā)生地震的概率也是很大的，汶川地震就是其中一個比較典型的例子。自此以后，我國對于建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求急劇增加，尤其是高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)。該文對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計做出了研究，希望能夠給參與高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作人員提供理論支持。

1 建筑物抗震結(jié)構(gòu)簡介

結(jié)構(gòu)設(shè)計是指建筑設(shè)計師經(jīng)過特定的手段或者方式將建筑師想要表達(dá)的語言以建筑的形式表達(dá)出來。在這個設(shè)計過程當(dāng)中可能會涉及到建筑設(shè)計師沒有的知識，比如：結(jié)構(gòu)師可以將自己所要表達(dá)的意思和語言通過設(shè)計圖紙結(jié)構(gòu)的形式表達(dá)出來。因此，完成一個項目的建筑設(shè)計，不僅僅需要建筑師來完成，還需要與建筑相關(guān)的其它專業(yè)的專業(yè)人士來輔助建筑師完成。建筑設(shè)計師或者其它相關(guān)專業(yè)人士通過在建筑設(shè)計原有基礎(chǔ)上增加部件或者器械以增加建筑物整體的抗震能力，這就是建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 荷載與應(yīng)力分析

2.1 荷載以及建筑物外力種類

建筑物的荷載和外力主要是指建筑物已經(jīng)完成以后，能夠使建筑物的結(jié)構(gòu)或者部分發(fā)生形變的影響因素。建筑物的荷載和外力主要分為建筑物橫向受力以及橫向荷載，建筑物縱向外力和縱向荷載等。這兩種類型是建筑物自身所產(chǎn)生的一種內(nèi)力，除此之外，建筑物還會受到外力的影響。按照受力時間的長短可以分為長期作用在建筑物上的力和臨時作用在建筑物上的力兩種。不管是建筑物自身的內(nèi)力還是建筑物所受的外力都應(yīng)該在建筑物設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，否則，建筑物就會因為長期承受超負(fù)荷的力而發(fā)生形變甚至倒塌，對使用者造成巨大的傷害和經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 荷載和結(jié)構(gòu)因素

在建筑物設(shè)計當(dāng)中，為了能夠有效的降低建筑物遭遇地震以后所受到的傷害，常會在建筑物當(dāng)中用到一種結(jié)構(gòu)——剛接。剛接存在于鋼結(jié)構(gòu)的連接點處，在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時，由于剛接的存在，能夠?qū)⑦@種形變的量控制在建筑物能夠承受的范圍內(nèi)。由于剛接結(jié)構(gòu)是作用在豎向承載鋼結(jié)構(gòu)之上，所以能夠有效的降低鋼結(jié)構(gòu)在縱向結(jié)構(gòu)上的材料重量，降低了建設(shè)成本和設(shè)計難度。

2.3 連接點的種類

對于高層建筑而言，每一個部件的支點或者節(jié)點都是整個建筑重要的組件之一，能夠?qū)⒔ㄖ锎Ａ⒂诮ㄖ鼗系狞c叫做建筑物的支點，而在一個橫向結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)兩個以上的支點，那這個由兩個支點組成的結(jié)構(gòu)就是建筑物的節(jié)點。當(dāng)建筑物在受到較大的外力作用時，建筑物的節(jié)點能夠有效的緩沖這種外力的能量，這種由支點產(chǎn)生用來對抗外力的力能夠和外力保持一致，使整個建筑物處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。

2.4 應(yīng)力與變形

由于建筑物在建成以后受到的力有很多，較強(qiáng)的外力作用于建筑物之上的情況也常有發(fā)生。所以，將這些力劃分為：當(dāng)外力作用于建筑物整體軸向上時，軸材所產(chǎn)生的對抗力的應(yīng)力稱為軸方向力；建筑物在受到外力影響，基于建筑物某個點上的拉扯力被稱為建筑物的拉力；由于建筑物發(fā)生的形變或者扭曲，而使建筑物某些部位發(fā)生擠壓而產(chǎn)生的力被稱為建筑物內(nèi)部壓力；由于建筑物的某一個應(yīng)力點長期處于同一作用力之下，建筑物可能會發(fā)生的扭曲稱為屈曲等。

3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震作用

基礎(chǔ)是加載在地基之上，以地基為基礎(chǔ)，用來承受整個建筑物的一種抗震結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是針對于整個建筑物而言的，在建筑物的地基上加建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠有效的防止建筑物在遭遇地震后產(chǎn)生的位移和塌陷等現(xiàn)象。為此，基礎(chǔ)必須是在有足夠承載能力的地基之上建設(shè)，除此之外，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)被建設(shè)在地基的那個層面內(nèi)，就是最主要也是最難的問題了。由于建筑物的高度決定了整個建筑物的質(zhì)量和若是發(fā)生位移以后的位移量，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震效果主要體現(xiàn)在當(dāng)建筑物遭遇地震時，建筑物塌陷能夠均勻下沉而不是局部塌陷，有效的防止了建筑物由于局部塌陷而導(dǎo)致的樓體坍塌等問題。

4 高層建筑抗震設(shè)計

依靠目前的科技水平，人類還無法預(yù)測地震的發(fā)生時間和強(qiáng)度，所以亦無法對地震災(zāi)害做出有效的防范措施。我們只能依靠增加建筑物的抗震能力最大限度的降低地震災(zāi)害發(fā)生時所造成的損失。地震災(zāi)害對建筑物造成的傷害程度隨著地震的強(qiáng)度、建筑物地基的堅實程度而變化，要做到降低建筑物受到地震后的損壞，只能在建筑過程或者建筑設(shè)計階段增加建筑物的抗震能力。而建筑物受到地震傷害的程度也會隨著樓層的增加而增強(qiáng)。建筑物抗震設(shè)計最主要的方向就是將建筑物經(jīng)過改造以后能夠?qū)Φ卣鹱饔糜诮ㄖ锏牧Ξa(chǎn)生與之對抗的力。兩種力相互抵消，才能夠達(dá)到這個目標(biāo)。建筑物在受到地震災(zāi)害的影響時，需要將建筑物看做是一個整體來分析建筑受到地震以后建筑物對于地震產(chǎn)生力的承受分配。

5 隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計

以往的高層建筑抗震能力較差，在遭遇地震災(zāi)害以后，整個建筑物的主要受力結(jié)構(gòu)會受到損傷，從而影響建筑物的功能使用。現(xiàn)代的高層建筑物為了能夠有效的降低建筑物主要受力結(jié)構(gòu)的損傷，保證建筑物的功能正常，會在建筑設(shè)計階段給建筑物設(shè)計一種有效的抗震結(jié)構(gòu)，即隔震結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)之所以被稱之為隔震結(jié)構(gòu)，主要是由于它能夠使建筑物在遭遇地震災(zāi)害時地震作用在建筑物上的力最大程度的隔離在建筑物以外，使建筑物承受的只是地震產(chǎn)生力的一小部分，極大的降低高層建筑在地震中受到的損傷。同時，在下層樓層中加入這種隔震結(jié)構(gòu)，能夠有效的阻止地震能量向建筑物高層傳遞，在一定程度上能夠?qū)Ω邔咏ㄖ鸬捷^大的保護(hù)作用。

5.1 隔震結(jié)構(gòu)在地基中的設(shè)計

地基作為承受整個建筑物的載體，在地基當(dāng)中使用隔震結(jié)構(gòu)能夠使建筑物在發(fā)生地震時，將地震所產(chǎn)生的能量在地基階段就被阻擋在地下；也可能是因為隔震結(jié)構(gòu)的緩沖作用極大的降低了這些能量從而保護(hù)了建筑物。

5.2 隔震結(jié)構(gòu)在樓層中的設(shè)計

與5.1所述一樣，在樓層中是用隔震結(jié)構(gòu)將地震產(chǎn)生的能量阻隔在建筑物底層，或者抵消很大一部分能量，使高層不受或者很少受到這種能量的沖擊。

6 結(jié) 語

高層建筑已經(jīng)成為現(xiàn)在城市建筑的主流，對于高層建筑的抗震設(shè)計已經(jīng)是重要的工作之一。該文對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作人員提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

［1］黃云葉.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計探討［J］.城市建設(shè)理論研究，2012，2（20）：56－58.

［2］王火竹.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震的分析［J］.城市建設(shè)理論研究，2011，1（32）：21－24.

［3］金明彥.超長地下室側(cè)墻預(yù)應(yīng)力抗裂技術(shù)應(yīng)用研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［4］吳忠飛.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計探討［J］.建筑知識：學(xué)術(shù)刊，2013，33（6）：102－102.

Design Research on High－rise Building Aseismic Structure

CAI Cheng－wen
（Southwest University，Chongqing 400715，China）

The aseismic design of tall buildings before the construction of high－rise building has become a necesarry work.And the aseismic design of tall buildings is also becoming complicated，in this paper it is analyzed briefly.

high－rise building； aseismic structure； design research

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.025

2013－01－25.

蔡成文（1993－），學(xué)士.E－mail：mxhslw＠126.com