高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

陳冠龍

摘要：從目前我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)的基本思路入手，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，并著重論述了高層建筑抗震設(shè)計(jì)中存在的問題，以促進(jìn)建筑業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu);抗震;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和全球經(jīng)濟(jì)一體化的趨勢(shì)下，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。高層建筑的產(chǎn)生滿足了人們對(duì)現(xiàn)代化都市生活的追求，空間上的發(fā)展也節(jié)約了土地的使用，同是也是一個(gè)城市現(xiàn)代化程度的標(biāo)志。隨著高層建筑的不斷增加，高層建筑的安全性及抗震性問題突顯重要。特別是近幾年來，我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，地震對(duì)建筑物的破壞及人們生命財(cái)產(chǎn)的安全所造成的傷害讓人觸目驚心。

1 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

“小震不壞、中震可修、大震不倒”作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的三水準(zhǔn)要求的具體含義是：“小震不壞”是第一水準(zhǔn)要求，要求建筑結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下均滿足承載力極限狀態(tài)和建筑結(jié)構(gòu)的彈性變形不超過規(guī)定值;即：能保障人們的生產(chǎn)、生活等各項(xiàng)社會(huì)活動(dòng)的正常進(jìn)行。“中震可修”為第二水準(zhǔn)要求，要求建筑結(jié)構(gòu)具有一定的變形能力，不會(huì)發(fā)生不能修復(fù)的脆性破壞，結(jié)構(gòu)的延性滿足規(guī)范的抗震措施和抗震構(gòu)造措施;即：保障人的生命安全和減小經(jīng)濟(jì)損失。“大震不倒”為第三水準(zhǔn)，要求建筑結(jié)構(gòu)有足夠的變形能力，強(qiáng)烈地震時(shí)彈塑性變形不超過規(guī)定限值;即：避免倒塌，保障生命的安全。第一水準(zhǔn)為承載力驗(yàn)算階段，適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，如規(guī)則的結(jié)構(gòu)及一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)。第二、第三水準(zhǔn)為彈塑性變形驗(yàn)算階段，適用于在強(qiáng)震時(shí)容易倒塌的結(jié)構(gòu)、有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)及有特殊要求的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，“小震不壞”通過其自身的抗震承載力實(shí)現(xiàn)，而“大震不倒”主要依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性來保障。因此要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須具有足夠的延性。即結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后，其本身承載力不降低或基本不降低，并且有足夠變形能力，用延性來吸收和耗散地震的能量，以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠。結(jié)構(gòu)構(gòu)件除具有必要的延性外，還應(yīng)具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)鍵部位遵循“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)原則。對(duì)可能出現(xiàn)薄弱層的部位，采取措施提高其抗震能力。還有結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有多道防線，多道防線對(duì)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震下的安全是非常重要的。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要要點(diǎn)

由于地震的不可預(yù)知性，高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)建筑物所遭遇的地震特性和基本參數(shù)，只靠計(jì)算很難使高層建筑結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能，這就要求每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師必須重視建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）建筑結(jié)構(gòu)的平面布置。建筑結(jié)構(gòu)的平面布置是影響結(jié)構(gòu)抗震的重要因素，合理的建筑平面布置對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。大量地震災(zāi)害表明，平面布置簡(jiǎn)單、對(duì)稱規(guī)則、質(zhì)量和剛度分布比較均勻并且具有明確傳力途徑的建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不容易發(fā)生破壞。規(guī)則結(jié)構(gòu)能較為準(zhǔn)確地預(yù)估結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和地震時(shí)的反應(yīng)，較容易采取有效的抗震措施及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施來加強(qiáng)其抗震性能。相反，平面布置復(fù)雜、不對(duì)稱且不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，其地震作用效應(yīng)很難估計(jì)的。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)中規(guī)范規(guī)定，宜采用規(guī)則結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

2）建筑結(jié)構(gòu)的體系選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就優(yōu)先采用具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系。例如：框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)可以作為地震區(qū)高層建筑的首選體系。當(dāng)建筑物高度不高且層數(shù)不多時(shí)，可采用框架結(jié)構(gòu)。但當(dāng)建筑物位于地震區(qū)，且高度均較高時(shí)，應(yīng)避免采用框架結(jié)構(gòu)、板柱剪力墻結(jié)構(gòu)。因?yàn)椋卣鹁哂袕?qiáng)破性且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，往復(fù)次數(shù)較多，能夠?qū)ㄖ镌斐衫鄯e破壞。單一的結(jié)構(gòu)體系在遭遇地震時(shí)，一旦發(fā)生破壞，很容易造成房屋倒塌，危及人們的生命及財(cái)產(chǎn)的安全。當(dāng)結(jié)構(gòu)體系具有多道防線時(shí)，當(dāng)遭遇地震時(shí)，第一道防線遭破壞后，后續(xù)的防線仍然能抵抗地震的沖擊力，可以最低限度的防止建筑物的倒塌，給人們以充分的時(shí)間進(jìn)行逃生，保證人民的生命安全。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的多道防線是進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)所必須設(shè)置的。

3）結(jié)構(gòu)薄弱層。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布不均勻、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)和樓層承載力突變時(shí)，容易產(chǎn)生薄弱層。薄弱層在地震中是最先遭受破壞的部位。因此，對(duì)有明顯薄弱層的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施來提高其抗震能力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際承載能力是判斷薄弱層部位的基礎(chǔ)，有意識(shí)、有目的地控制薄弱層部位，讓它有足夠的變形能力，而且不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段。

3 高層建筑抗震設(shè)計(jì)常見問題

1）高層建筑結(jié)構(gòu)的地基問題。

高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)有完善的巖土工程勘察報(bào)告，為結(jié)構(gòu)工程提供基本的設(shè)計(jì)依據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)場(chǎng)地應(yīng)選擇在有較穩(wěn)定的基巖、開闊、平坦、土層堅(jiān)硬或較密實(shí)的有利地段，不應(yīng)建造在容易發(fā)生滑坡、地陷、崩塌和泥石流等不利地段及抗震的危險(xiǎn)地段，有利地段的建造對(duì)建筑物的抗震是十分有利的。有時(shí)由于建設(shè)單位工期要求，在確定方案后設(shè)計(jì)人員就直接進(jìn)入了施工圖設(shè)計(jì)階段，從而忽略了巖土工程勘察資料和場(chǎng)地的選擇，從而給后續(xù)工作帶來不必要的麻煩。

2）高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置問題。

高層建筑為了追求外立面效果的美觀而設(shè)計(jì)成平面不規(guī)則、不對(duì)稱且有較大凹進(jìn)或較大開洞的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)抗震十分不利。因此，在建筑方案正式確定前，結(jié)構(gòu)工程師就應(yīng)對(duì)建筑平面布置、體型方面的內(nèi)容提出自己的見解，及時(shí)和建筑師進(jìn)行溝通，盡量選用平面、豎向規(guī)則對(duì)稱、質(zhì)量和剛度、承載力均勻的平面布置，這對(duì)抗震十分有利。

3）高層建筑結(jié)構(gòu)的高度問題。

如今的高層建筑結(jié)構(gòu)的高度越來越高，甚至出現(xiàn)了很多超高層的高層建筑，這就對(duì)結(jié)構(gòu)工程師的專業(yè)知識(shí)提出了更高的要求。不同的高度對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)體系，規(guī)范上有明確規(guī)定。一旦結(jié)構(gòu)超過了規(guī)范規(guī)定的限制高度，就應(yīng)通過專門的審查、論證進(jìn)行更嚴(yán)格的計(jì)算分析和研究。

4）高層建筑抗震設(shè)防等級(jí)的選取問題。

抗震等級(jí)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，抗震等級(jí)選取不當(dāng)將給建筑物的安全帶來許多隱患，對(duì)工程造價(jià)也會(huì)帶來不必要的浪費(fèi)。抗震等級(jí)根據(jù)房屋的場(chǎng)地類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、結(jié)構(gòu)類型等因素綜合評(píng)定。每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)熟練掌握結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)和規(guī)范知識(shí)，做到該提高的應(yīng)當(dāng)提高其抗震等級(jí)，該降低則應(yīng)適當(dāng)降低。

5）計(jì)算軟件的合理應(yīng)用。

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該應(yīng)用正規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件中的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)能夠正確反映建筑物的特征。結(jié)構(gòu)工程師能正確分析結(jié)構(gòu)軟件所計(jì)算的結(jié)果，并做出正確的判斷。但有時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)給結(jié)構(gòu)工程師帶來一種錯(cuò)覺，有的結(jié)構(gòu)工程師往往過分依賴計(jì)算結(jié)果，而減少了結(jié)構(gòu)的概念學(xué)習(xí)。一旦選擇了錯(cuò)誤的計(jì)算參數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)方面造成影響。因此，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)加強(qiáng)自身的業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)和抗震概念設(shè)計(jì)的理解，做到熟練掌握相關(guān)的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，并且根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)配合計(jì)算結(jié)果選擇最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代化進(jìn)程高速發(fā)展的今天，高層建筑的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。建筑造型獨(dú)特新穎的建筑，規(guī)模和高度也在不斷增加。隨著建筑業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足高層建筑的材料、形式、整體力學(xué)模型都將趨于復(fù)雜和多元化，這就要求每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師要有過硬的專業(yè)知識(shí)、清晰的概念分析和熟練掌握處理問題的能力，不斷的探索和研究，為我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

參考文獻(xiàn)：

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