高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的不足及對策

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摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的推進(jìn)，在城市發(fā)展和建設(shè)中建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大，而城市中土地可使用率降低，為此在建筑行業(yè)發(fā)展中逐漸朝著高層建筑發(fā)展，而高層建筑結(jié)構(gòu)體系也是社會發(fā)展與科技進(jìn)步的產(chǎn)物。早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作進(jìn)行了分析，尤其是在我國地震多發(fā)區(qū)，在建筑工程設(shè)計中抗震設(shè)計是其重要內(nèi)容。本文就對當(dāng)前我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的不足進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決對策。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震設(shè)計；存在不足；解決對策

1引言

地震是一種強(qiáng)有力的自然災(zāi)害事件，對于人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生重要的影響，而高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能對于人們的生命安全和財產(chǎn)安全有著直接的聯(lián)系。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅需要考慮到建筑物美觀性，經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性特點(diǎn)，同時還要考慮到建筑安全問題，在工程設(shè)計和建設(shè)中建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是其重要內(nèi)容，對于建筑物使用壽命及使用性能都帶來深遠(yuǎn)的影響，對建筑工程項目安全發(fā)揮著重要的作用。

2高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計內(nèi)容分析

通常建筑物的抗震結(jié)構(gòu)在遇到強(qiáng)大地震作用下會進(jìn)入塑性狀態(tài)，為滿足地震作用下結(jié)構(gòu)性能要求，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中就要考慮到結(jié)構(gòu)彈塑性變形能力。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外對抗震設(shè)計研究的發(fā)展趨勢來看，主要是對在不同超越概率水平地震作用下對結(jié)構(gòu)的變形要求和性能要求進(jìn)行設(shè)計[1]。在抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)的彈塑性分析是其重要內(nèi)容，但由于在結(jié)構(gòu)的彈塑性分析中具有一定的難度和復(fù)雜性，在如何設(shè)定與如何計算等問題的要求上也各有不同。當(dāng)前我國現(xiàn)行的抗震規(guī)范中對于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求是按照反應(yīng)譜理論來進(jìn)行計算的，通過彈性方法來對位移及內(nèi)力進(jìn)行計算，通過極限狀態(tài)來進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計。在建筑物有特殊要求或是一些重要建筑中應(yīng)通過時程分析法來對其進(jìn)行補(bǔ)充計算，并計算在大震作用下的變形狀態(tài)，規(guī)定在罕遇地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形分析。

3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計不足

3.1建筑結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)我國建筑行業(yè)現(xiàn)行的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程中明確規(guī)定，在一定的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)防烈度前提下，高層建筑鋼筋混凝土高度應(yīng)保持適宜，而高度則是根據(jù)我國現(xiàn)有的施工技術(shù)水平、建筑科研水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平基礎(chǔ)上所明確的，與我國土建規(guī)范體系是相協(xié)調(diào)的[2]。但在高層建筑的實(shí)際施工中很多混凝土結(jié)構(gòu)和建筑物結(jié)構(gòu)明顯超過限制標(biāo)準(zhǔn)，對于超高層建筑物在抗震設(shè)計中需要采用科學(xué)的方式，如模型振動臺試驗，并要有專家論證。在地震作用下超高層建筑物變性破壞形態(tài)較大，隨著建筑物高度增加，一些影響因素會從量變發(fā)生質(zhì)變，即一些參數(shù)本身超出其規(guī)范范圍內(nèi)，如延性要求、力學(xué)模型選取、安全指標(biāo)、荷載取值及材料性能等。

3.2建筑體系和材料選用

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中對于建筑結(jié)構(gòu)體系和材料的選用受到人們的重視，尤其是在地震多發(fā)區(qū)域人們重視程度明顯增加。我國當(dāng)前在150米以上的高層建筑結(jié)構(gòu)中主要采用的是三種結(jié)構(gòu)體系，這些結(jié)構(gòu)體系都是借鑒其他國家建筑結(jié)構(gòu)體系，但不同的是國外地區(qū)尤其是地震區(qū)主要是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而國內(nèi)則主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或是混合結(jié)構(gòu)，但國內(nèi)外對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并未進(jìn)行大地震作用試驗。如在高層建筑的框架-核心筒體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量少，柱子斷面減少，因此受到業(yè)主方青睞[3]?；旌辖Y(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土內(nèi)簡震層剪力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)位移限值作為變性控制基數(shù)。但由于彎曲變形側(cè)移較大，一些鋼框架剛度小，協(xié)同作用下使側(cè)移減小，鋼結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)增加，在設(shè)計中需要加大混凝土筒的伸臂結(jié)構(gòu)和剛度，確保滿足側(cè)移限值。當(dāng)柱距和結(jié)構(gòu)體系在發(fā)生變化時應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，在轉(zhuǎn)換層和加強(qiáng)層作用下使機(jī)構(gòu)剛度發(fā)生突變，使與轉(zhuǎn)換成和加強(qiáng)層相連的構(gòu)件建立增加，加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層連接處無法或是難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁，為此在轉(zhuǎn)換層或加強(qiáng)層設(shè)置中應(yīng)對其結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行科學(xué)，謹(jǐn)慎選擇，使其本身剛度應(yīng)盡量減小，才能減小所帶來的不利影響。除此之外，在高層建筑的抗震設(shè)計中還要注意到材料及結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選，雖然我國目前鋼材生產(chǎn)量不斷增加，鋼材品種與類型增加，鋼結(jié)構(gòu)制造能力提升，但部分地區(qū)仍盡可能的采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)或是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，使柱斷面面積減小，使結(jié)構(gòu)抗震性能得到改善[4]。在超出一定高度后，鋼結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量小，為減小風(fēng)振，通常首要選擇鋼骨混凝土或是混凝土材料。

3.3短柱和軸壓比

在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中為了控制柱的軸壓比，通常會使柱的斷面增加，柱縱向鋼筋為構(gòu)造配筋，雖然采用高強(qiáng)度混凝土也不能明顯的減小柱斷面的面積。對柱的軸壓比進(jìn)行限制主要是確保柱在大片呀狀態(tài)下，防止IE受拉鋼筋補(bǔ)鞥呢屈服被混凝土碾壓，柱塑性變形能力差，使結(jié)構(gòu)延性受到影響。在地震作用下，使吸收地震能量和耗散能量少，結(jié)構(gòu)容易受到破壞。但在框架的抗震設(shè)計中為確保強(qiáng)柱弱梁，使梁的延性較好，柱子進(jìn)入屈服可能性減小，使軸壓比限值得到放松[5]。此外，當(dāng)前在一些高層建筑的底部柱子并不一定是短柱，只有在明確剪跨比低于2的情況下才能確保柱子是短柱，進(jìn)一步明確短柱參數(shù)為柱的剪跨比。但即便可以對軸壓比限值進(jìn)行調(diào)整，仍不能通過增加軸壓比限值的方式減小柱斷面，為此在高層建筑的抗震設(shè)計中鋼筋混凝土采用是否合理還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探究與分析。

4高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計問題的解決對策

4.1選擇合適的地理位置

當(dāng)建筑施工場地工程地質(zhì)條件不同的情況下，在地震作用下建筑物所遭受的破壞程度也是不同的，因此在高層建筑工程項目建設(shè)中應(yīng)選擇具有抗震有利場地，避開抗震不利場地進(jìn)行施工建設(shè)，從而減輕地震災(zāi)害問題發(fā)生。在高層建筑施工前應(yīng)加強(qiáng)對工程地質(zhì)的勘查，并采取科學(xué)的解決措施，對于不利工程地段應(yīng)考慮到因場地條件會造成結(jié)構(gòu)破壞因素，在工程施工地區(qū)中除去地震因素限制之外，還要排除具有嚴(yán)重危險性場地和不利場地作為建筑施工用地[6]。在建筑施工場地選擇中應(yīng)根據(jù)地基、場地等對于建筑物所承受抗震破壞作用大小及其特征來進(jìn)行明確分類，根據(jù)不同場地的特點(diǎn)和特征采取科學(xué)合理的抗震措施。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)提出避開不利地質(zhì)環(huán)境的要求，如根據(jù)地基液化等級和抗震設(shè)防類別等加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)和地基結(jié)構(gòu)的剛度，消除地基液化沉陷。

4.2抗震設(shè)計方案優(yōu)化

建筑材料選擇在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，通過對建筑材料參數(shù)分析，從整體上考慮材料參數(shù)變異性，并選擇具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用型同時符合抗震要求的材料類別。但在抗震設(shè)計中不僅需要考慮到材料承載力，同時還要考慮到高層建筑在施工中各方面因素，選擇與抗震需求相符合的材料，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量，采用不同的材料和不同的結(jié)構(gòu)類型。

4.3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中對稱均勻為其設(shè)計主要原則，根據(jù)綜合抗震能力概念，在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中應(yīng)充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和承載力大小對于地震作用進(jìn)行衡量，在地震時建筑物受到地震作用大小在一定程度上和建筑物的動力特性，承載力分布，剛度合理性及延性大小有著密切的關(guān)系。房屋是由樓蓋和縱向、橫向承重構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系，具有空間剛度，而建筑結(jié)構(gòu)抗震能力大小在一定程度上取決于建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及空間剛度大小。為了使建筑物抗震性能提高與改善，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)確保所有構(gòu)件的延性較高，并通過屋蓋、現(xiàn)澆樓等多種方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)空間剛度，在適當(dāng)部位設(shè)置構(gòu)造柱，配備構(gòu)造鋼筋，使結(jié)構(gòu)整體作用增強(qiáng)。除此之外，還要對配筋圈梁可限制散落問題進(jìn)行設(shè)置，使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性得到提高，進(jìn)而使房屋抗震性能增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)主要是通過延性來使建筑物在大地震作用下發(fā)生非彈性變形，因此建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性在地震作用下的意義都是同等重要的。為確保在地震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)具有一定的延性，就需要將塑性變形集中在具有良好延性能力的構(gòu)件上，如選擇可接受塑性變形機(jī)構(gòu)，通過人為方式使構(gòu)件抗剪能力增強(qiáng)，在不強(qiáng)烈地震作用下，為充分發(fā)揮出結(jié)構(gòu)延性前出現(xiàn)非延性剪切破壞，即強(qiáng)剪弱彎。或采用同樣的構(gòu)造方式確保塑性鉸部位具有一定的塑性損耗和轉(zhuǎn)動能力。

5結(jié)語

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中經(jīng)濟(jì)性和安全性問題是重要的技術(shù)措施，從長遠(yuǎn)角度來看，我國的高層建筑結(jié)構(gòu)看診設(shè)計應(yīng)根據(jù)當(dāng)前的抗震設(shè)計現(xiàn)狀即其不足之處，明確設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系性，根據(jù)抗震概念知識與設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計人員應(yīng)作出明確的判斷，找出經(jīng)濟(jì)合理性與結(jié)構(gòu)安全性之間的連接點(diǎn)，從而找到一種切實(shí)可行的抗震設(shè)計方法，明確地震區(qū)域中高層建建筑未來發(fā)展主要方向，從而推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步，滿足人們的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳達(dá)鋒.某大跨連體超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及彈塑性時程分析[J].建筑科學(xué),2013(7):117~121.

[2]王鑫,聶桂蘭.靜力與動力彈塑性分析在超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國西部科技,2009(23):17~19.

[3]陳維東.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題及其對策[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2009(5):173~174.

[4]韓小雷,鄭宜,季靜,黃藝燕.美國基于性能的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范[J].地震工程與工程振動,2008(1):64~70.

作者：王敬東 單位：葫蘆島市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司