高層鋼筋混凝土結構震害及抗震設計初探

賀高凱

高層鋼筋混凝土結構震害及抗震設計初探

賀高凱

我國位于世界兩大地震構造系的交匯區域，是地震多發的國家之一，當前我國正處于新的地震活躍期。我國位于六度區以上的城市占城市總數的70%以上，近60%的大城市位于七度及七度以上的地震區。作為一種突發的自然災害，地震具有不可預測性且發生的頻率較高，目前高層建筑中多以鋼筋混凝土結構體系為主。因此我國《建筑抗震設計規范》及《高層建筑混凝土技術規程》（本文后分別簡稱《抗規》及《高規》）規定在抗震設防烈度為6度及以上的地區，必須進行抗震設計，并且要求建筑物基本的抗震設防目標滿足 “大震不倒，中震可修，小震不壞”的要求。本文將對高層鋼筋混凝土結構的地震災害及抗震設計進行初步探析。

一、高層鋼筋混凝土結構的震害分析

相較于其他材料建造的房屋而言，鋼筋混凝土結構房屋整體性好，因而具有良好的抗震性能，但若抗震設計不合理或不符合要求，高層鋼筋混凝土結構房屋可能會產生嚴重的震害。而建筑結構震害的嚴重程度主要取決于地震特性和建筑結構自身特征兩個因素。因此，下面就結構平面布置、框架結構、抗震墻結構、樓梯結構及填充墻結構等方面的震害進行簡單介紹。

1.結構布置的震害

建筑物的平面布置不規則、質量和剛度分布不均勻、不對稱而造成剛度中心和質量中心有較大的不重合，易使結構在地震時產生過大的扭轉變形而嚴重破壞。另外，結構沿豎向布置的剛度嚴重不均勻時，剛度較小的樓層會成為薄弱層，將會導致局部變形過大，極易發生破壞甚至倒塌，如汶川地震時，大量的“下柔上剛”的結構或底部大空間結構的建筑底部完全破壞導致房屋整體倒塌；又如日本阪神地震時，大量的20層左右的高層建筑在第五層處因豎向剛度突變導致倒塌，主要是因為日本當時規范允許結構剛度及抗力在第五層以上相對較弱。除此之外還有結構布置中抗震縫設置問題，因相鄰房屋或結構單元防震縫設置的寬度不夠，導致其兩側的房屋或結構單元發生碰撞而產生震害。

2.框架結構的震害

框架結構的整體破壞形式一般分為延性破壞和脆性破壞，當塑性鉸出現在框架梁兩端，形成強柱弱梁，此時結構能承受較大整體變形，吸收較多地震能量，結構發生延性破壞；而當塑性鉸出現在柱端，形成了強梁弱柱機制，結構發生脆性破壞。框架柱同時承受豎向軸力和兩個主軸方向的彎矩與剪力的作用，受力狀態復雜，一旦底部柱子發生破壞，整棟房屋就有倒塌的危險，因此在框架結構的抗震設計中提倡 “強柱弱梁”的承載能力設計原則。

3.抗震墻的震害

相較于框架結構而言，抗震墻結構、框架—抗震墻結構的抗震性能較好、震害相對較輕，高層鋼筋混凝土結構中抗震墻的破壞主要是抗震墻底部的破壞和連梁的剪切破壞。抗震墻底部破壞表現為受壓區混凝土大片壓碎剝落，縱筋壓屈，震害常出現在底部；而連梁是位于上下門窗洞口之間的聯系墻肢的水平構件，往往高度大而跨度小，能吸收較多的地震作用，剪切效應明顯，在反復荷載作用下易形成X形剪切裂縫，墻肢之間的連梁是抗震墻結構變形集中之處，所以連梁很容易發生破壞。

4.樓梯的震害

樓梯的震害是汶川地震中發現的一個新問題，以往的設計中沒有考慮樓梯參與抗震計算，僅對樓梯進行豎向荷載作用下的靜力分析分析和設計，而實際上樓梯對結構提供了較大的抗側力剛度，并且對樓梯休息平臺處框架柱抗震設計產生較大的不利影響。同時在水平地震的往復作用下，樓段板承受反復拉壓作用，樓段板受力筋壓屈或個別斷裂，樓梯板完全拉斷塌落。所以現行有關規范把樓梯結構的抗震設計做了兩類明確的設計要求。

5.填充墻的震害

填充墻顯著改變主體結構抗震性能，但由于其材料強度顯著的變異性及脆性破壞模式，其抗震性能不易預測，填充墻通常被當作非結構構件，不參與結構抗震計算，目前國內外尚無明確的關于填充墻自身抗震性能的指標。砌筑式填充墻的砌塊和砂漿抗拉強度都不高，其界面的粘結強度也較低，使得砌筑式填充墻在地震作用下很容易開裂，會引起使用者的心理恐慌，而填充墻倒塌的后果則更加嚴重。

二、高層鋼筋混凝土結構的抗震設計

1.結構材料的選擇

對于高層鋼筋混凝土結構的抗震設計，為保證整體結構及結構構件的承載力和延性，《抗規》及《高規》都對高層鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級、鋼材強度等建筑材料做了相應的規定，因此，在抗震設計時應該嚴格遵守規范、規程的規定。

2.結構抗震慨念設計

對于高層建筑鋼筋混凝土結構應最大限度做到建筑形體（包括建筑平面形狀及豎向變化）的規則、對稱；建筑結構平面布置及剛度設計均勻、對稱，豎向剛度均勻或變化均勻；各樓層質量延豎向分布均勻或變化合理；并優先選擇符合《抗規》及《高規》規定的結構方案，確保《抗規》及《高規》等技術標準在單項工程抗震設計中的有效性和適宜性，同時應盡量避免選擇復雜高層結構。

3.結構規則性

應嚴格控制建筑結構方案的規則性設計，控制結構單元建筑結構不規則的項次以及單項不規則的程度。不規則的建筑結構方案應按規定采取超過規范規定的加強措施；特別不規則的建筑結構方案應進行專門的研究和論證，并采取特別的加強措施；嚴重不規則的建筑結構方案不應采用。

4.結構體系的選擇

高層鋼筋混凝土結構的結構體系的選擇應優先滿足建設物功能的要求，確保建筑的適用性；其次應根據建筑物高度及功能、建筑結構最大適用高度、抗震設防要求及場地的地震條件，綜合選擇安全、適用、合理、經濟的結構體系，高層鋼筋混凝土結構體系的選擇主要區別是建筑結構適用高度及結構體系抗側力性能，結構體系抗側力剛度過小難以滿足建筑結構的正常使用極限狀態要求，結構體系抗側力剛度過大則會在相同的地震條件下產生相對較大的地震作用，且建筑經濟合理性較差。

5.結構布置原則

在結構布置中結構抗側力構件及豎向、水平承重構件宜平面全方向均勻、對稱地設置，至少應沿縱橫兩個正交方向均勻、對稱地設置，盡量避免不規則、非對稱的斜交抗側力構件布置，各類作用的傳遞應直接、就近、明確；對于框架結構尚應優先采用縱橫雙向框架或橫向框架承重體系，另外為了保證結構具有足夠的贅余度（約束）和耗能能力，高層建筑鋼筋混凝土的框架結構不應采用單跨框架。

6.合理設置防震縫

當結構體系不同、平面形狀不規則或豎向高度相差過大時，宜設置防震縫，將不規則的建筑結構劃分成若干較為簡單、規則的結構，提高建筑結構抗震性能，為防止由于防震縫寬度不夠導致的兩側結構在地震中發生碰撞，防震縫寬度應考慮防震縫兩側結構體系、高度等不同的不利組合影響，同時應特別注意考慮抗震縫兩側結構單元不同地震工況下位移的不利組合影響。

7.隔墻與填充墻的選擇

隔墻與填充墻墻體的材料及類型選擇，應該根據抗震設防要求和預期目標、房屋高度、建筑體型及隔墻與填充墻墻體自身抗側力性能等因素確定，應優先采用較為輕質的墻體材料；剛性隔墻與填充墻墻體的布置，應該避免結構形成剛度分布上的突變，同時隔墻與填充墻墻體與主體結構應該有可靠的拉結或連接，并能夠適應主體結構不同方向的層間位移，高層建筑外墻板的連接件應該具有足夠的延性和適當的轉動能力。

三、結語

總而言之，目前我國現行規范規程已經對符合規范規程規定和要求的高層鋼筋混凝土結構的抗震設計做了詳盡的規定，只要抗震設計中嚴格遵守相關規定，在規定內的地震發生時，房屋建筑的抗震性能是可以保證的，地震震害就可以控制在預期的水平。

（作者單位：河南省建筑設計研究院有限公司）