高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

1 高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地震作用下的破壞特點(diǎn)

1.1 高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高層混凝土建筑指的是建筑物高于28m，并且樓層超過十層的混凝土建筑。高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)其實(shí)說白了就是一種豎向的懸臂結(jié)構(gòu)。高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)上的彎矩和軸向力是水平荷載跟垂直荷載導(dǎo)致的，建筑的高度跟軸向力實(shí)際上呈現(xiàn)線性關(guān)系。高層混凝土建筑的層數(shù)與水平位移，跟彎矩是呈上升曲線的關(guān)系，并且軸向力是與高度成正比例。從受力特性方面來說，當(dāng)水平荷載離分布較均勻時，建筑的高度跟彎矩是呈二次方變化關(guān)系，而當(dāng)垂直荷載方向不變時，高層建筑的增加高度所帶來的受力也很小。

1.2 發(fā)生地震時高層建筑的破壞特點(diǎn)

(1)地基破壞特點(diǎn)。如果高層建筑是處于軟弱土層上，就比較容易發(fā)生破壞，因?yàn)橥馏w液化會引起基礎(chǔ)沉降，最終會出現(xiàn)上部建筑結(jié)構(gòu)的傾斜，在一些危險地段所修的高層建筑，如果遇到地震，建筑的基礎(chǔ)就會出現(xiàn)不均勻沉降，甚至導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)裂縫，并且一旦高層建筑自身的結(jié)構(gòu)周期跟場地周期相同時就會出現(xiàn)共振效應(yīng)，嚴(yán)重的破壞結(jié)構(gòu)。

(2)結(jié)構(gòu)體系破壞特點(diǎn)。如果高層混凝土建筑是框架填墻結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生地震，建筑平面的內(nèi)框架柱上部就易發(fā)生剪切型破壞，而窗洞部分因?yàn)榇跋聣Φ淖饔脮?dǎo)致短柱性破壞。框架剪力墻結(jié)構(gòu)受地震的破壞程度比較輕。

底框結(jié)構(gòu)因?yàn)榈讓泳哂休^低的剛度，一旦發(fā)生地震，就會受到嚴(yán)重的破壞，而如果使用框架填墻結(jié)構(gòu)，因?yàn)榈讓涌蚣苁浅ㄩ_式，沒砌墻時具有較低的剛度，所以，底層會受到嚴(yán)重的破壞。

(3)剛度破壞特點(diǎn)。建筑的主體結(jié)構(gòu)使用矩形平面式，建筑中的電梯井等如果發(fā)生偏心，在扭轉(zhuǎn)振動的作用下會加重地震破壞度，而L形和三角形等對稱性不強(qiáng)的平面形式，地震中更容易受到扭轉(zhuǎn)振動的破壞，加重震害。

(4)構(gòu)件的破壞特點(diǎn)。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑中，柱會比板和梁破壞嚴(yán)重，剪力墻的窗臺下部位置比較容易發(fā)生交叉性裂縫。而框架柱因?yàn)樵O(shè)置了螺旋箍筋，所以，層間位移角比較大，框架柱在地震時具有較強(qiáng)的抵抗力。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計建筑主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

建筑工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是否設(shè)計的科學(xué)，會跟建筑的質(zhì)量息息相關(guān)，相同結(jié)構(gòu)的單元應(yīng)當(dāng)設(shè)置在地基性質(zhì)相似的地面上，并且使用一樣的結(jié)構(gòu)，如果地基的位置出現(xiàn)了橡皮土、液化土和新填土等承載力不一的土層時，要通過適當(dāng)?shù)奶幚泶胧﹣碓鰪?qiáng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度，保證地基足夠的承載力。使用底框結(jié)構(gòu)不僅實(shí)用性強(qiáng)，而且具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，使用范圍相當(dāng)廣泛，但是，這種結(jié)構(gòu)體系下的剛度分布不均勻，存在頭重腳輕的可能，最終使得建筑物的整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻變形，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致房屋部分開裂，所以，不易在高設(shè)防烈度地區(qū)使用這種結(jié)構(gòu)，或者在具體設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)措施確保上下部分具有一致均勻的剛度，真正有效提升抗震水平。

2.2 增加抗震防線

高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)是由多個延性分體系構(gòu)成的，并且各個延性構(gòu)件是相互協(xié)調(diào)連接的，如框剪力結(jié)構(gòu)就是結(jié)合了剪力墻與框架分體而構(gòu)成的多肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，通常在大型地震出現(xiàn)后會發(fā)生余震，所以，若是只設(shè)置一道抗震防線，一旦該抗震防線受到余震的破壞，就會嚴(yán)重?fù)p傷到高層主體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)倒塌。設(shè)計人員必須認(rèn)真處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)防體系，并確保同一平面內(nèi)的主要構(gòu)件屈服，剩余抗側(cè)力部件處于彈性過程階段，提高主體結(jié)構(gòu)的有效屈服持續(xù)時間，保證主體結(jié)構(gòu)具有加強(qiáng)的延性和抗側(cè)移能力。在進(jìn)行建筑的抗震設(shè)計時，可能會出現(xiàn)某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)移值太大的現(xiàn)象，最終引起其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度不夠，所以在設(shè)計時必須適當(dāng)強(qiáng)化構(gòu)件的抗側(cè)移能力，必須反復(fù)權(quán)衡施工中的以大帶小與個別抗側(cè)力部件的配筋率提高等設(shè)計行為。

2.3 使用多種抗震計算方法

在進(jìn)行高層混凝土建筑設(shè)計時，必須正確計算抗震結(jié)構(gòu)的位移，定量的分析結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，將主體結(jié)構(gòu)的變形量控制在一定范圍中，確保發(fā)生一般的地震時不會出現(xiàn)變形。計算主體結(jié)構(gòu)的承載力時，要實(shí)時計算高烈度地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角和延性位移，并根據(jù)建筑物構(gòu)件中位移跟結(jié)構(gòu)的變形關(guān)系，最終獲得主要構(gòu)件的變形數(shù)值，再結(jié)合建筑截面的應(yīng)變情況，明確構(gòu)件的合理構(gòu)造要求，另外，還要確保建筑優(yōu)良的場地條件良好，盡量降低所輸入的地震能量，有效降低高層建筑的主體結(jié)構(gòu)的破壞程度。

2.4 抗震加固設(shè)計

在多數(shù)情況下，高層建筑都明確了設(shè)防抗震要求，所以，高層建筑不但要滿足一定的剛度和延性要求，還需滿足一定的強(qiáng)度要求，而鋼筋混凝土由于本身的自重比較大，特別是底層柱其軸力跟建筑物高度是成正比的關(guān)系，而主要構(gòu)件對延性有一定的要求，在層高既定時，往往以調(diào)整軸壓比的形式來增強(qiáng)構(gòu)件的延性，但是軸壓比不可太大，要不然就會構(gòu)成結(jié)構(gòu)短柱，延性相當(dāng)有限，如果遇上高烈度的地震，易導(dǎo)致剪切破壞，最終會導(dǎo)致整體的倒塌，所以必須進(jìn)行加固設(shè)計。

(1)選用螺旋復(fù)合箍筋。框架柱的抗剪能力應(yīng)該跟強(qiáng)剪弱彎與剪壓比想符合，柱子端部的抗彎能力必須滿足強(qiáng)柱弱梁限值的標(biāo)準(zhǔn)，而短柱在強(qiáng)柱弱梁與強(qiáng)剪弱彎時，不會導(dǎo)致剪切性破壞，螺旋復(fù)合箍筋的突出優(yōu)點(diǎn)就是可以有效提高柱子的抗沖剪能力，提高短柱抗震性能。

(2)選用分體柱。短柱的抗彎性能強(qiáng)于抗剪性能，所以，在實(shí)際地震中往往是抗彎能力還沒真正發(fā)揮作用就已出現(xiàn)了剪壞破壞，設(shè)計時需適當(dāng)減少短柱的抗彎能力，讓它跟抗剪強(qiáng)度相近，才會讓短柱在地震中從一開始就滿足抗彎的屈服強(qiáng)度。設(shè)計中常常使用減少抗彎強(qiáng)度的形式，即把柱子沿豎向設(shè)縫，并把它劃分成各個分體柱，分體柱的配筋可在柱肢間布置一定數(shù)量的連接鍵，真正增強(qiáng)構(gòu)件的剛度與抗震性能，常常使用通縫、分隔板和摩擦阻尼器等連接鍵。選用分體柱，雖說不能增強(qiáng)柱子的抗剪性能，但是在降低了抗彎能力時就提高了柱子的抗變形能力，實(shí)現(xiàn)了短柱向長柱的轉(zhuǎn)變，有效提高了短柱的抗震能力。

2.5 將位移考慮在內(nèi)，降低輸入地震能量

(1)客觀看待位移問題。計算承載力是我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，設(shè)計人員應(yīng)該重視這個計算，并采用彈性策略，系統(tǒng)性的分析和計算相關(guān)結(jié)構(gòu)力，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全;而要有效減少水平方向的側(cè)移，可以減少建筑的自重，將橫向彎矩考慮在內(nèi)，在分析相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開展深層次的設(shè)計，將多個方面的因素都考慮在內(nèi)。

(2)降低地震的輸入能量。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對高層混凝土建筑的抗震性能提出了更高的要求，所以，在開始設(shè)計時，就應(yīng)考慮地震的預(yù)期作用，仔細(xì)預(yù)算、計算和分析變形問題，設(shè)計時應(yīng)重視構(gòu)件承載力，還要計算地震時層間的位移側(cè)移與綜合位移之間的延性比等，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

[1]降海芹.高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的施工與現(xiàn)場管理[J].城市建設(shè)理論研究，2011，(32).

[2]胡立峰.高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)闡述[J].建材與裝飾，2013，(19):70-71.