淺談高層建筑的抗震設(shè)計(jì)

邱明華

(中鐵建安工程設(shè)計(jì)院有限公司，河北 石家莊 050043)

1 抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)及等級(jí)規(guī)定

1.1 抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)

建筑所在地區(qū)基本烈度數(shù)值是指該地區(qū)在以后50年的時(shí)間內(nèi)，一般場(chǎng)所條件下可能遭受的超過概率為10%的地震烈度值。一個(gè)地區(qū)經(jīng)過國家規(guī)定的相關(guān)權(quán)限批準(zhǔn)之后所具有的抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度稱之為抗震設(shè)防烈度，我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)中所提出的三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求主要是“小震可修，中震不壞，大震不倒”。上述抗震目標(biāo)主要是通過二階段設(shè)計(jì)法得以實(shí)現(xiàn)，分別為(1)第一階段為按照小震的作用效應(yīng)以及其他荷載效應(yīng)的基本組合對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)在小震作用的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性形變進(jìn)行驗(yàn)算。(2)第二階段為在大震作用時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的彈塑性變形進(jìn)行驗(yàn)算，確保其可以滿足第三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。而第二水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求主要通過抗震的構(gòu)造措施得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 結(jié)構(gòu)抗震的等級(jí)規(guī)定

地震的強(qiáng)度值主要是通過震級(jí)進(jìn)行表示，一般將地震劃分為六級(jí)，小型地震的等級(jí)為3級(jí)，有感地震的震級(jí)一般為3級(jí)～4.5級(jí)，而中強(qiáng)地震的震級(jí)一般為4.5級(jí)～6級(jí)，地震震級(jí)為7級(jí)～8級(jí)的地震為強(qiáng)烈地震，而地震震級(jí)為8級(jí)以上的地震稱之為巨大地震。目前我國大部分民用建筑的抗震設(shè)防烈度為8度，對(duì)應(yīng)的可抗地震震級(jí)為6級(jí)。抗震等級(jí)是建筑設(shè)計(jì)部門依據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，建筑物的重要性以及設(shè)防要求為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)建筑自身的高度，結(jié)構(gòu)類型以及該地區(qū)的設(shè)防烈度等進(jìn)行的具體劃分，例如當(dāng)前廣泛采用的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)主要分為四級(jí)。

2 高層建筑抗震的計(jì)算方法

在發(fā)生地震的情況下，地面上處于靜止?fàn)顟B(tài)的高層建筑物會(huì)由于地面的運(yùn)動(dòng)從而被迫產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。因此，地震作用的動(dòng)力大小不但與地面運(yùn)動(dòng)有關(guān)，同時(shí)還與建筑物的動(dòng)力特性具有一定的關(guān)聯(lián)性，建筑自身的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性需要通過計(jì)算的方式分析得出，目前地震力常采用下述三種方法進(jìn)行計(jì)算。

2.1 底部剪力法

底部剪力法本質(zhì)是一種擬靜力方法，主要是將地震作用力等效為靜力荷載的方式進(jìn)行分析計(jì)算，通過最不利荷載組合的方式求算出最大的地震反應(yīng)值，優(yōu)點(diǎn)是具有較小的計(jì)算量，但是由于本身忽略了高階陣型所帶來的影響，同時(shí)對(duì)于第一陣型也進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，所以這種計(jì)算方式的精度相對(duì)較差。

2.2 陣型分解反應(yīng)譜法

這種方法主要是利用反應(yīng)譜理論以及陣型分解理論對(duì)結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，它的本質(zhì)是一種擬動(dòng)力法，所以它的計(jì)算量相對(duì)較高，但是相應(yīng)的這種計(jì)算方法具有較高的計(jì)算精度，誤差主要來源于陣型組合過程中有關(guān)地震動(dòng)隨機(jī)特性的假定。

2.3 時(shí)程分析法

隨著當(dāng)前試驗(yàn)技術(shù)以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，地震力的計(jì)算方式也得到了一定的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型計(jì)算方法時(shí)程分析法，這種方法是通過在結(jié)構(gòu)模型當(dāng)中輸入一定的地震波，然后對(duì)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行數(shù)值的積分，從而求算出該結(jié)構(gòu)在整體地震時(shí)程范圍內(nèi)的地震反應(yīng)，時(shí)程分析法屬于完全動(dòng)力方法的一種，較之于上述兩種方法具有更高的計(jì)算精度，相應(yīng)的其計(jì)算量也更大，具體計(jì)算方法可以分為逐步積分法和陣型分解法兩種方式，而逐步積分法又包含了紐馬克β法和線形加速法兩種求算方式。

3 高層建筑的抗震設(shè)計(jì)分析

3.1 建筑場(chǎng)地及地基的選擇

建筑物的場(chǎng)地選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程需要，對(duì)實(shí)際的工程地質(zhì)條件和地震活動(dòng)的具體情況進(jìn)行掌握，同時(shí)了解地震地質(zhì)的有關(guān)資料，分別對(duì)抗震的有利地段，不利地段以及危險(xiǎn)地段進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)，對(duì)于不利地段，例如，地質(zhì)較為松軟或者是具有軟弱下臥層的地質(zhì)應(yīng)該盡量避讓，在無法避讓時(shí)應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)單位采取有效措施，例如，進(jìn)行砂石換填和采用樁基礎(chǔ)等。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)適于采用簡(jiǎn)單規(guī)則的平面布置方式，建筑平面的規(guī)則性可以保證建筑本身的承載力與剛度分布較為均勻。建筑平面適宜于采用矩形以及方形等平面形式，由于這類建筑平面形狀較為規(guī)整，所以在地震發(fā)生時(shí)可以保持建筑整體協(xié)調(diào)一致，使得結(jié)構(gòu)的抗震處理相對(duì)安全簡(jiǎn)單。建筑平面布置不規(guī)則時(shí)，例如，出現(xiàn)L形或者是部分凸出凹進(jìn)等形狀時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)質(zhì)剛不同心，出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角應(yīng)力過于集中，其中結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度較小的構(gòu)件會(huì)因此承擔(dān)更多的水平地震力，容易造成構(gòu)件破壞，最終造成整體結(jié)構(gòu)因一側(cè)失效從而產(chǎn)生倒塌現(xiàn)象。此外為了避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度以及承載力發(fā)生突變，應(yīng)該將抗側(cè)力構(gòu)件的材料強(qiáng)度以及截面尺寸從下到上逐漸減小，對(duì)于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時(shí)應(yīng)將其薄弱層的地震剪力增大1.15倍，同時(shí)按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析。

3.3 減輕房屋自重

在高層建筑當(dāng)中建筑的地上部分其樓蓋自重約占40%左右，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，減小結(jié)構(gòu)層間水平應(yīng)力值，避免豎向構(gòu)件承擔(dān)更多的水平地震力剪力和彎矩，應(yīng)該采取措施適當(dāng)減小樓蓋自重，例如采用密肋樓板或者預(yù)制多孔板等結(jié)構(gòu)形式。

對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)或者框架剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑而言，內(nèi)部包含有較多鋼筋混凝土墻體，為了適當(dāng)減輕墻體所造成的自重增加，在結(jié)構(gòu)計(jì)算允許的范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減薄墻體尺寸，同時(shí)對(duì)于其中自承重墻體可以選擇使用加氣混凝土砌塊或者是輕骨料混凝土等材料設(shè)置輕型隔墻，這同時(shí)也是減輕房屋自重的有效措施。

4 結(jié) 論

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)在結(jié)建筑結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)中十分重要，必須對(duì)建筑的地基基礎(chǔ)以及所使用的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行綜合性的考慮，對(duì)于不同情況不同類別的建筑應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，以此尋求最為合理的抗震設(shè)計(jì)方式。