高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能處理措施分析與設(shè)計(jì)

范燕燕

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第六設(shè)計(jì)院有限公司 上海 230031

引言

加強(qiáng)抗震建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作，在當(dāng)前的建筑設(shè)計(jì)中已越來(lái)越受到業(yè)界的重視。目前，一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的射頻仿真電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有得到更新和完善。首先，抗震建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒(méi)有深入分析一個(gè)國(guó)家抗震產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和日常使用數(shù)據(jù)。如果將一般高層建筑的抗震要求直接應(yīng)用于某些高層建筑，可能會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中直接造成建筑工程中的諸多缺陷。其次，抗震體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)理念沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)。借鑒國(guó)際上抗震體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成功應(yīng)用案例，完善大型建筑抗震體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，杜絕重大安全事故。設(shè)計(jì)人員還需要充分掌握先進(jìn)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)理念的應(yīng)用，完善企業(yè)原有的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則，采用可靠性更強(qiáng)的先進(jìn)抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，有效保證各項(xiàng)建設(shè)工程的質(zhì)量和安全。

1 建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念

建筑抗震結(jié)構(gòu)的整體抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是指在大型建筑的整體抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員能夠大膽突破設(shè)計(jì)傳統(tǒng)，充分吸收當(dāng)?shù)氐卣馂?zāi)害的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度以及經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐積累的大型建筑整體抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，最終形成更加系統(tǒng)、科學(xué)的結(jié)構(gòu)抗震建筑設(shè)計(jì)技術(shù)理念。此外，還要以適應(yīng)這一理念為設(shè)計(jì)依據(jù)，完成所有主體結(jié)構(gòu)和部分基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。對(duì)于建筑主體結(jié)構(gòu)抗震災(zāi)害的概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員更有必要靈活、科學(xué)地充分利用地震相關(guān)知識(shí)和當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)地震的詳細(xì)設(shè)計(jì)資料[1]。

2 影響高層住宅建筑抗震效果的因素

2.1 材料

材料是創(chuàng)建建筑實(shí)體必不可少的要素，現(xiàn)階段的建筑材料類(lèi)別及性能各不相同，具備的抗震效果也存在差異。若選擇的是加氣混凝土板等具有高強(qiáng)度且質(zhì)地輕的材料，則會(huì)顯著提高建筑物的強(qiáng)度，明顯減輕總體自重，建筑物綜合使用性能更為優(yōu)良。對(duì)此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注重對(duì)建筑材料的選擇，要求其具備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

2.2 高度

現(xiàn)代建筑工程中，高層建筑成為主流趨勢(shì)，但在高度增加的同時(shí)其重心的高度也隨之提高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以得到保障。從實(shí)際情況來(lái)看，建筑超高現(xiàn)象普遍存在，在爆發(fā)高強(qiáng)度地震時(shí)極易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)建筑將整體坍塌，造成嚴(yán)重的傷亡事故。為創(chuàng)造可觀的建筑使用價(jià)值，需要合理設(shè)定建筑高度，避免出現(xiàn)重心過(guò)高的情況[2]。

2.3 地基選取

地基是建筑施工的基礎(chǔ)部分，其穩(wěn)定性也將對(duì)建筑的抗震性能帶來(lái)影響。對(duì)于高層住宅建筑，若地基的穩(wěn)定性與平整性較強(qiáng)，建設(shè)所得的建筑物整體抗震性能則較為優(yōu)良；若建筑地基性能欠佳，如存在松軟、含水量過(guò)高等情況，此時(shí)建筑物的抗震性能將被大大削弱。從這一角度來(lái)看，需注重對(duì)建筑物地基的選擇，若因用地規(guī)劃問(wèn)題而必須在軟土地基上展開(kāi)施工，則要做好地基加固，使其具有足夠的穩(wěn)定性。

3 建筑設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)的作用以及關(guān)系

設(shè)計(jì)抗震功能之前，首先需要注意建筑設(shè)計(jì)的合理性，一般來(lái)說(shuō)建筑設(shè)計(jì)都是經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)師的精密計(jì)算與反復(fù)推敲，因此想要改變結(jié)構(gòu)來(lái)提升建筑抗震性能屬于非常困難并且也非常危險(xiǎn)的行為。提升抗震性能的過(guò)程中，改變結(jié)構(gòu)顯然是不可能的，但是可以根據(jù)施工預(yù)案中對(duì)于各個(gè)位置加強(qiáng)布局，從而保證整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。這種改善的方法能夠在保證原本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不改變的情況來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，原理并非加固，而是保證各個(gè)受力點(diǎn)之間的受力逐漸均勻，因此在地震來(lái)臨時(shí)不會(huì)輕易發(fā)生形變，也就提升了建筑的抗震性能。如果在施工的過(guò)程中沒(méi)有考慮到抗震的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行施工，那么后續(xù)進(jìn)行抗震性能加強(qiáng)就會(huì)導(dǎo)致非常困難，因此加強(qiáng)抗震性能需要站在整體的角度上來(lái)對(duì)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行約束。在實(shí)際加強(qiáng)的過(guò)程中想要將各個(gè)位置的部件進(jìn)行加強(qiáng)，材料無(wú)法改變，那么就需要加強(qiáng)面積，這難免會(huì)產(chǎn)生一定的浪費(fèi)。由此可見(jiàn)在抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，這一過(guò)程需要考慮到非常多的問(wèn)題，因此屬于較為復(fù)雜的流程，需要考慮到全面的設(shè)計(jì)內(nèi)容[3]。

4 高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 選擇合理的地理位置

地震的主要原因是板塊地殼斷層反向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致不同板塊之間的強(qiáng)烈碰撞，對(duì)許多建筑物的結(jié)構(gòu)造成巨大的破壞。基于這一實(shí)際情況，我們?cè)谶M(jìn)行建筑設(shè)計(jì)工作時(shí)，首先必須選擇合理的施工場(chǎng)地，最大限度減少地震災(zāi)害造成的破壞。由于建筑物的震害是由一些地質(zhì)運(yùn)動(dòng)直接造成的，可以考慮選擇一些地質(zhì)較強(qiáng)的位置來(lái)建造建筑物，增強(qiáng)其抗震破壞能力。在選擇抗震地理位置時(shí)，應(yīng)基于以下兩個(gè)方面：①選擇地質(zhì)相對(duì)較硬的地理位置，相應(yīng)的山體承載力也較強(qiáng)，可以有效防止地震活動(dòng)引起的山體崩塌；②選擇平坦寬闊的建筑位置，可以有效保證高層建筑的地震穩(wěn)定性和抗震性能，減少地震活動(dòng)對(duì)建筑的破壞。

4.2 確定建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)

一般來(lái)說(shuō)，在準(zhǔn)備建筑的抗震基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員必須首先通過(guò)綜合各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和信息來(lái)確定抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。只有確保確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)真實(shí)正確，才能為抗震設(shè)計(jì)管理的后期發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，提高抗震結(jié)構(gòu)抗震基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性和設(shè)計(jì)科學(xué)性。本文對(duì)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的高層抗震工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，其主要技術(shù)參考的是關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)充分地考慮了未來(lái)實(shí)際使用中建筑地震可能對(duì)高層建筑工程產(chǎn)生的重要作用力，從而全面深入地分析建筑地震中地力，掌握高層建筑結(jié)構(gòu)的震害能力評(píng)估等級(jí)，這也是當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗震建筑設(shè)計(jì)的重要前提。

4.3 適當(dāng)提升建筑物抗震設(shè)計(jì)等級(jí)

如果建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)不合理，其結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能將大大降低。因此，為了進(jìn)一步優(yōu)化和提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員通常需要制定合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，以防止建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形、扭曲、鼓包等抗震現(xiàn)象。為了有效保證建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)更加合理，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)真收集和分析具體地質(zhì)和地理調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，并根據(jù)具體地質(zhì)和地理環(huán)境條件，準(zhǔn)確判斷和找出該地區(qū)地殼垂直運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和特征，分析該地區(qū)的地震運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，確保區(qū)域建筑工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體布局和該區(qū)域地震運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)大致處于相對(duì)垂直的運(yùn)行狀態(tài)，有效降低特大地震對(duì)區(qū)域建筑工程前期工程設(shè)計(jì)的不利影響。

4.4 妥善設(shè)置抗震防線

科學(xué)合理地設(shè)計(jì)抗震保護(hù)線，可以有效地保證建筑工程主體結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)一步大大提高其整體抗震性能。抗震設(shè)計(jì)的具體工作原理如下：在無(wú)大震的特殊條件下，保證側(cè)向延伸抗震性能良好的主體建筑工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件能夠充分發(fā)揮其整體抗震保護(hù)功能。在地震中，只有在第一條大規(guī)模抗震防線同時(shí)受到嚴(yán)重破壞后，另外兩條抗震防線才會(huì)同時(shí)受到嚴(yán)重破壞。因此，我們?cè)谶M(jìn)行建筑抗震工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須盡可能考慮建立抗震設(shè)計(jì)防線。

4.5 結(jié)構(gòu)規(guī)則性

大量的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象表明，平立面結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單且有著一定對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的建筑在地震來(lái)臨的時(shí)候是有著非常好的抗震性能的，其根本原因就在于采用此種結(jié)構(gòu)的建筑在實(shí)際地震中比較容易估計(jì)出地震的反應(yīng)，也比較容易采取相應(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)措施并及時(shí)處理。而建筑在結(jié)構(gòu)上的規(guī)則性主要是指建筑物在平面和立面上的外形尺寸在抗擊側(cè)力方面的構(gòu)建布置、承載力的實(shí)際分布情況等多個(gè)要素的實(shí)際需求。這種結(jié)構(gòu)上的規(guī)則性要求建筑在平面上對(duì)稱(chēng)且體型比較均勻和簡(jiǎn)單，在結(jié)構(gòu)剛度上要沿著建筑物的豎向變化且均勻，與此同時(shí)要保證建筑物有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，并最大程度上減小建筑物在豎向上的扭轉(zhuǎn)影響，且要盡量滿足建筑物在豎向上的受力程度和實(shí)際承載均勻，以最大限度地減少結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力及豎向構(gòu)件之間的變化對(duì)建筑物在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的負(fù)面影響。

4.6 層間位移限制

層間位移限值是鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，高層建筑往往都有著非常大的高寬比，所以其在承受風(fēng)荷載及地震力的情況下會(huì)產(chǎn)生比較大的層間位移，甚至實(shí)際的位移會(huì)超過(guò)其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中規(guī)定的位移最大值。現(xiàn)階段我國(guó)在建筑行業(yè)中普遍認(rèn)為高層建筑的實(shí)際位移數(shù)值應(yīng)該與建筑物的實(shí)際結(jié)構(gòu)、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝修標(biāo)準(zhǔn)等諸多因素有關(guān)。因此，在實(shí)際進(jìn)行高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的時(shí)候，要根據(jù)建筑在實(shí)際結(jié)構(gòu)上的情況及建筑周?chē)膶?shí)際地理位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅要滿足其剛度上的要求，還要有效避免其自身結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生一定的位移，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性以及舒適度。

4.7 控制地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

大量的事實(shí)表明，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在平面分布上出現(xiàn)不規(guī)則和不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象時(shí)，會(huì)導(dǎo)致建筑層間出現(xiàn)水平方向的荷載質(zhì)量中心和建筑物的剛度中心不重合，這種結(jié)構(gòu)的建筑在地震中除了會(huì)發(fā)生水平方向的位移之外，還極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)性的損壞，嚴(yán)重地還會(huì)導(dǎo)致建筑整體性的坍塌。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，主要是因?yàn)榻ㄖ镌谂まD(zhuǎn)力的作用之下，多個(gè)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，其中心距離鋼結(jié)構(gòu)的中心比較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)邊緣的抗側(cè)力單元的層間側(cè)移是最大的；與此同時(shí)，建筑物的上下剛度不均勻的結(jié)構(gòu)變化中，建筑物的各層剛度的中心并沒(méi)有在一個(gè)軸線之上，嚴(yán)重地還會(huì)產(chǎn)生比較大的距離。以上多種情況都會(huì)使得建筑物在多層結(jié)構(gòu)上的偏心距和扭矩發(fā)生不同程度的改變，所以，在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要對(duì)各層之間的扭轉(zhuǎn)修正系數(shù)進(jìn)行仔細(xì)測(cè)算。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為滿足我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展需求，提升建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，要科學(xué)、合理地應(yīng)用抗震技術(shù)，提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入研究和分析，制定建筑結(jié)構(gòu)的合理性抗震設(shè)計(jì)方案，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的功能特點(diǎn)，制定有效的技術(shù)實(shí)施措施，提升高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，實(shí)現(xiàn)建筑工程結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量目標(biāo)。