抗震概念在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

黃 海 江西金科房地產(chǎn)開發(fā)有限公司

1 抗震結(jié)構(gòu)性能要求

1.1 剛度要求

在對高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，要結(jié)合具體情況，對施工現(xiàn)場、施工材料質(zhì)量等進(jìn)行綜合性測量和分析，從而對建筑剛度值進(jìn)行精準(zhǔn)運算，并在此基礎(chǔ)上明確建筑結(jié)構(gòu)的連接模式，提升其受力能力，從而強(qiáng)化其整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，以免在發(fā)生余震時降低結(jié)構(gòu)破壞性，避免發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形問題，將其破壞力控制在可維修范圍之內(nèi)，降低地震帶來的經(jīng)濟(jì)損失，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)安全性[1]。

1.2 延展性要求

在對高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，要結(jié)合具體情況，對結(jié)構(gòu)的剛度以及彈塑性之間的關(guān)系進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙進(jìn)行設(shè)計施工，保障設(shè)計規(guī)范性，最大限度提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的延展性及整體結(jié)構(gòu)受力的調(diào)節(jié)性，保障其在地震發(fā)生時的安全系數(shù)[2]。

1.3 受力均衡性

由于建筑構(gòu)件既有剛性特點，也有一定的柔性特點。這種特性導(dǎo)致其在發(fā)生地震災(zāi)害時，容易受到較大范圍的結(jié)構(gòu)破壞，引起建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重的倒塌、斷裂等問題[3]。因此，在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要注重對其構(gòu)件受力均衡性進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和設(shè)計，保障設(shè)計方案的合理性，并盡量使用規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化其垂直方向的受力均勻性，保障平面和立面結(jié)構(gòu)設(shè)計的對稱性，最大限度降低地震災(zāi)害對建筑整體結(jié)構(gòu)的破壞性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念的意義及抗震性能設(shè)計流程

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念的意義

最初，概念設(shè)計的理論是理論設(shè)計和試驗研究的共同結(jié)合體。概念設(shè)計在后續(xù)的發(fā)展中，將其大量的設(shè)計思想融入工程實際的實驗環(huán)節(jié)中，進(jìn)而形成了概念設(shè)計的基本原則。在這些基本原則下，展開相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑整體的施工布局。高層建筑結(jié)構(gòu)的受力能力十分復(fù)雜，因為本身存在的動力具有不確定性的特點，當(dāng)發(fā)生地震時，這項特點就會被激活。從本質(zhì)上，對于地震災(zāi)害以及建筑結(jié)構(gòu)的認(rèn)知存在一定的局限性，很多建筑材料的性能在安裝與施工過程中容易發(fā)生改變，應(yīng)用之前進(jìn)行的大規(guī)模的模擬地震波測試也會存在一定的數(shù)據(jù)偏差，很多模糊不清的數(shù)據(jù)被應(yīng)用到高層建筑中，以至于很多高層建筑的抗震質(zhì)量令人擔(dān)憂。

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展以及人們生活水平的提高，對建筑物的質(zhì)量和抗震能力提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，建筑設(shè)計單位開始逐漸重視抗震效果和抗震水平的進(jìn)一步提高，保證建筑物的抗震效果能夠達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。建筑單位開始關(guān)注基于性能的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，針對在設(shè)計過程中存在的危險因素進(jìn)行及時排查，來保證建筑物的安全性和抗震性。更為重要的是，在標(biāo)準(zhǔn)上對于結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計要求也極為嚴(yán)格，必須按照結(jié)構(gòu)設(shè)計原則展開設(shè)計，并且結(jié)合不同地區(qū)對應(yīng)的抗震標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求，以此保障高層建筑結(jié)構(gòu)對于抗震性能的應(yīng)用。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震性能的設(shè)計流程

抗震性能標(biāo)準(zhǔn)基本選定之后，建筑設(shè)計師必須同其他專業(yè)的工程師展開初步的建筑方案規(guī)劃與設(shè)計，并對初步設(shè)計方案進(jìn)行實際論證，有效判斷此項目能否達(dá)到預(yù)期的抗震性能指標(biāo)。如果初步設(shè)計方案沒有得到一眾滿意的通過，就需要二次設(shè)計或者是修改，重新進(jìn)行規(guī)劃，在這之中需要以抗震性能標(biāo)準(zhǔn)作為主要依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，并在設(shè)計之后再次論證，其論證內(nèi)容包括：建筑功能、建筑體系、建筑外形、建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件性能標(biāo)準(zhǔn)以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等方面，當(dāng)這些內(nèi)容全部論證完成之后，送到專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)估、評審，如果預(yù)估、評審沒有通過，則需要建筑設(shè)計師進(jìn)行再次修改設(shè)計，并依舊要對抗震性能加以重視，對于抗震性能設(shè)計的基本流程可以劃分為：性能目標(biāo)設(shè)定、初步設(shè)計、建筑方案、論證、評審，這是詳細(xì)的抗震性能設(shè)計流程。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計優(yōu)勢所在

3.1 建筑物的平面設(shè)計優(yōu)勢

對于建筑師來說，平面設(shè)計是整個建筑環(huán)節(jié)中十分重要的環(huán)節(jié)，平面設(shè)計的好壞將對建筑物后續(xù)的使用有著決定性的影響作用。我們以商務(wù)高層建筑和普通居住用途的高層建筑相比較能夠發(fā)現(xiàn)，兩者的平面設(shè)計本質(zhì)上具有很大的區(qū)別，這是因為建筑物的用途不同，在設(shè)計之時就必須要根據(jù)不同建筑物所需的實用功能進(jìn)行設(shè)計。為了能夠有效地將抗震性能融入平面設(shè)計環(huán)節(jié)中，不但要對建筑材料的質(zhì)量進(jìn)行深入考慮，還需要對整體的構(gòu)架安裝是否合理、協(xié)調(diào)加以綜合的評價和考量。

想要更全面的實現(xiàn)平面設(shè)計與抗震設(shè)計性能的有效融合，必須要對設(shè)計者提出更高的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計師不但要具有十分豐富的工作經(jīng)驗，而且必須對建筑的美觀性和抗震技術(shù)應(yīng)用能力要有著極為深厚的研究，只有這樣才能夠在保障美觀的同時，真正達(dá)到抗震性能的最佳效果。

3.2 建筑物的空間設(shè)計優(yōu)勢

在對高層建筑物進(jìn)行空間設(shè)計時，主要的設(shè)計原理是在現(xiàn)有的三維空間內(nèi)所進(jìn)行的一種建筑物豎向的設(shè)計方案。基于我國城市人口不斷增多，城市化建設(shè)急劇增長的狀態(tài)下，城市人口數(shù)量上的壓力迫使建筑物樓層逐漸增高。為了降低建筑土地占有面積不斷擴(kuò)大帶來的破壞，有效保障國土資源的平衡，在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，高層建筑逐漸成為流行趨勢，這也對高層建筑的空間設(shè)計提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

常規(guī)而言，建筑物的樓層越低，其穩(wěn)定性能就會越高，受到突發(fā)性地震災(zāi)害的破壞也就會降低。相反，如果建筑樓層過高，其穩(wěn)定性能就會越來越差，當(dāng)受到突發(fā)地震災(zāi)害時，容易產(chǎn)生大量的損壞現(xiàn)象。因此，建筑物的空間設(shè)計中應(yīng)當(dāng)有效融合抗震性能設(shè)計，只有這樣才能夠促使高層建筑具有穩(wěn)定的抗震效果。

4 抗震概念在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的有效應(yīng)用

4.1 抗震概念設(shè)計需要重視高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)律

在高層建筑的抗震概念設(shè)計環(huán)節(jié)中，務(wù)必要對高層建筑的整體形態(tài)設(shè)計進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計與修正，要有效保障剛度、對稱性、規(guī)則性，以及各個設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量均勻分布，并保證整體設(shè)計的完整性，規(guī)避局部設(shè)計出現(xiàn)剛度性能過大的問題。而且高層建筑的整體結(jié)構(gòu)布局對于抗震概念設(shè)計具有極為重要的影響作用，以對稱、簡單的建筑作為基礎(chǔ)，在地震應(yīng)力分析環(huán)節(jié)和實際的狀態(tài)下，都能夠?qū)τ诳拐鹦阅墚a(chǎn)生一致效果。不過，在凹凸立面和錯層設(shè)計的建筑物中，一旦突發(fā)地震情況，將會產(chǎn)生難以預(yù)估的地震連鎖反應(yīng)，面對這樣的情況，就難以對高層建筑抗震效果采取最適當(dāng)?shù)姆治觥Ｋ哉f，在高層建筑抗震概念設(shè)計環(huán)節(jié)中，務(wù)必要重視結(jié)構(gòu)規(guī)律。

4.2 抗震概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)體系上的有效應(yīng)用

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)體系是抗震概念設(shè)計中的重中之重。抗震概念設(shè)計在建筑物結(jié)構(gòu)體系上的應(yīng)用，主要根據(jù)高層建筑物的實際高度和抗震等級來挑選最適合的抗側(cè)力體系，挑選的過程中以概念適用性來判定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是否具有可行性，還要確定其內(nèi)部構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，方案選擇必須合理，這是因為抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效選擇，將會直接對抗震概念設(shè)計的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性造成影響。

4.3 抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的有效應(yīng)用

高層建筑抗震性能的實現(xiàn)必須要以各個構(gòu)件作為基礎(chǔ)支撐。所以，抗震結(jié)構(gòu)體系中的不同安裝構(gòu)件都需要具有一定的強(qiáng)度和剛度。目前，在我國現(xiàn)有規(guī)范中，對建筑關(guān)鍵部位的構(gòu)件也提出了全新的抗震構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)，如最小配箍率、最小配筋率、最大軸壓比等等。高層建筑的整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的是一個多元化、多層次的超靜定結(jié)構(gòu)，所以抗震結(jié)構(gòu)也需要設(shè)置多種抗震防線。

這樣一來，一旦發(fā)生地震情況，一部分構(gòu)件會預(yù)先遭受破壞，但剩余的安裝構(gòu)件依然能夠完好的支撐并延續(xù)自身的作用能力，形成一道個體獨立的抗震防線，承受著地震災(zāi)害與豎向荷載帶來的壓力。所以，有效合理的對高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行控制，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上將抗震性能作為一種防線措施，能夠有效保障抗震結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的應(yīng)用能力得到最大的發(fā)揮。

5 抗震設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

5.1 設(shè)計過程中明確設(shè)計規(guī)則和方案

建筑單位在規(guī)劃建筑物的設(shè)計過程中，要明確具體規(guī)則并對相應(yīng)建筑物的規(guī)劃進(jìn)行有效布置，通過對我國一些地區(qū)抗震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)生地震的頻率，對建筑物的抗震效果做好相應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計。通過設(shè)立平立面可以有效提升建筑物的抗震能力和減少地震對建筑物的破壞，所以建設(shè)單位要明確有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)則，多從建筑物平立面的外形、側(cè)力承受力等角度進(jìn)行充分考慮。對于建筑物外部，要保證其對稱性和均勻性，減少不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)建筑物的抗扭能力。

5.2 設(shè)計過程中考慮建筑物自身重量的問題

建筑物在地震來臨時會造成巨大破壞，不僅是由于地震所帶來的動力所引起的，還有可能是建筑本身的質(zhì)量問題。因此，在對建筑物進(jìn)行施工前，保證地基等具體設(shè)施條件不變的情況下，盡可能減少建筑物本身的重量和增加其設(shè)計質(zhì)量。通過對我國地震災(zāi)害的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，土質(zhì)屬于軟土層的地區(qū)，如果建筑層數(shù)過高，建筑的結(jié)構(gòu)屬于頭重腳輕，地震對建筑物的破壞程度會遠(yuǎn)高于其他地區(qū)同樓層的建筑。

5.3 減少地震的能量輸入

建筑物抗震效果的具體體現(xiàn)就在于設(shè)計過程中能否對地震所帶來的最大破壞力做到提前預(yù)測，并對建筑物結(jié)構(gòu)的形變能力做好提前的調(diào)整和規(guī)劃。對于建筑物的結(jié)構(gòu)形變數(shù)值，設(shè)計單位應(yīng)該對當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行充分調(diào)查以及對相應(yīng)的公式進(jìn)行有效運算，來保證建筑物的形變能力能夠充分適應(yīng)地震的最大破壞能力，減少地震給建筑物帶來的能量輸入。

5.4 抗震性能設(shè)計方法

提升抗震設(shè)計性能的方法主要有位移影響系數(shù)、直接位移設(shè)計等。位移影響系數(shù)法主要是通過對結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計，做出最大期望位移值的判斷，通過模擬地震作用力，整體判斷建筑物的抗震效果。直接位移設(shè)計法通過對建筑材料的極限數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)期的位移判斷，來得到建筑物的抗震性能的實驗數(shù)據(jù)。位移影響系數(shù)法無法具體展現(xiàn)建筑物某一層樓的損壞情況，是屬于整體性的大體評估；而直接位移設(shè)計法的局限性就是無法測量建筑材料極限數(shù)據(jù)之外的抗震效果。

6 結(jié)語

綜上所述，由于我國城市人口不斷增長，城市化建設(shè)不斷加快，高層建筑成為當(dāng)下時代發(fā)展的主流建筑趨勢。然而，現(xiàn)在的地震災(zāi)害也時刻危及人們的生產(chǎn)、生活安全。對于城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，必須有效融入抗震概念設(shè)計，只有這樣，高層建筑物在遭受到突發(fā)地震災(zāi)害時，才能夠有效保障人們的生命財產(chǎn)安全不受侵害。