高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析
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摘要：2008年12月27日，第十一屆全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第六次會(huì)議修訂了《中華人民共和國防震減災(zāi)法》，旨在大力推進(jìn)新時(shí)代防震減災(zāi)事業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)。國家大力推行建筑防震方針的目的是，降低地震破壞力，減少經(jīng)濟(jì)損失，保障人民生命安全。隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，人們對各類建筑物的居住與使用也有了更高的要求與標(biāo)準(zhǔn)。目前，大多數(shù)的高層建筑都是以混凝土結(jié)構(gòu)為主的，這是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震能力，可以提高建筑的安全性。基于此，本文首先分析了我國地震災(zāi)害對建筑物的影響，研究了高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)性能，闡述了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則，提出了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)抗震；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；混凝土建筑
我國地域遼闊，不同的區(qū)域有著不同的自然環(huán)境與地質(zhì)條件，有些地區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā)，地震會(huì)對當(dāng)?shù)氐囊恍┙ㄖ镌斐刹煌潭鹊钠茐?。地震的發(fā)生往往很突然，嚴(yán)重威脅了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，人們也越來越重視建筑物的質(zhì)量安全。目前，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將建筑的抗震性能考慮在內(nèi)，大力發(fā)展建筑抗震技術(shù)。設(shè)計(jì)人員必須做好建筑抗震技術(shù)研究工作。對于混凝土建筑設(shè)計(jì)而言，抗震設(shè)計(jì)中最為重要的是把控建筑結(jié)構(gòu)，只有建筑物的整體抗震能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，才能夠抵抗地震災(zāi)害。因此，相關(guān)建筑設(shè)計(jì)人員必須對高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以高度重視，在開展設(shè)計(jì)工作之前，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析工作，從而有效提高高層混凝土建筑的綜合質(zhì)量及安全性。
1我國地震災(zāi)害對建筑物的影響分析
我國在建設(shè)發(fā)展的過程中發(fā)生了幾次較大的地震災(zāi)害，這些地震災(zāi)害對于建筑物尤其是群體性高層建筑的破壞，至今還令人心悸不已。地震對人類的生命財(cái)產(chǎn)安全極具威脅，因此人類在面對地震災(zāi)害時(shí)，應(yīng)該有效地將所掌握的抗震技術(shù)應(yīng)用于建筑工程中，盡量降低地震災(zāi)害造成的損失。工作人員必須對高層建筑進(jìn)行抗震檢測鑒定，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。地震發(fā)生具有突發(fā)性，如果建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量不過關(guān)，就會(huì)造成不可預(yù)計(jì)的后果。筆者根據(jù)地震災(zāi)害影響，詳細(xì)梳理了我國幾次大型地震災(zāi)害情況（見表1）。通過表1中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，大型地震對我國造成的經(jīng)濟(jì)損失極為嚴(yán)重，其中絕大多數(shù)人員傷亡都是由高層建筑物坍塌造成的。另外，搜救不及時(shí)、搜救困難等問題也會(huì)造成大量的人員傷亡。早期建筑雖然進(jìn)行了抗震檢測鑒定，但是建筑結(jié)構(gòu)仍然存在較大的安全隱患——建筑物的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)建筑材料的應(yīng)用過于單一，工作人員沒有把握抗震這一關(guān)鍵性原則，以致發(fā)生大型地震時(shí)，高層混凝土建筑大量倒塌。
2高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)性能的相關(guān)研究
高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的主要理論包括三個(gè)方面的內(nèi)容，即擬靜力理論、反應(yīng)譜理論、動(dòng)力理論。其中，擬靜力理論是指在估計(jì)地震對建筑結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，假設(shè)結(jié)構(gòu)為剛性，地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心，地震力的大小相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個(gè)比例常數(shù)（地震系數(shù)）。反應(yīng)譜理論則是將地震動(dòng)對建筑物的作用以等效荷載的方法來表示，然后根據(jù)這一等效荷載用靜力分析的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算，以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗震承載力和變形值。動(dòng)力理論是指將地震比作一個(gè)主體的時(shí)間過程，在結(jié)構(gòu)中輸入極具代表性的加速度，當(dāng)有效掌握地震問題之后，建筑物在不同階段所呈現(xiàn)的變化均可進(jìn)行記錄，這樣就能夠明確后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)方案。
3高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則
3.1建筑結(jié)構(gòu)合理性原則
在實(shí)際建設(shè)過程中，設(shè)計(jì)人員需要有效結(jié)合目前建筑物的真實(shí)情況，選擇較為合理的構(gòu)建方式。一般來說，設(shè)計(jì)人員需要在確定整體結(jié)構(gòu)之后，采用系統(tǒng)化的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。不同的建筑物之間存在差異，建筑物的構(gòu)件也會(huì)存在一定的差異，但是在實(shí)際的選擇過程中，設(shè)計(jì)人員必須按照結(jié)構(gòu)合理性的原則來選擇。建筑物自身能夠?qū)σ徊糠謩偠容^差的梁體結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定支撐的作用，一些需要承受豎向荷載的構(gòu)件不能轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪軜?gòu)件，這是因?yàn)樨Q向結(jié)構(gòu)十分脆弱，容易產(chǎn)生受力不均勻的情況，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，部分位置容易坍塌。因此，所有構(gòu)件都應(yīng)該具有很強(qiáng)的延性，設(shè)計(jì)人員不僅要考慮工程近況，還要充分考慮工程后續(xù)發(fā)展情況。
3.2建筑環(huán)節(jié)不同的抗震防線原則
在高層混凝土建筑中，對于抗震防線而言，設(shè)計(jì)人員在不同的工程環(huán)節(jié)中需要進(jìn)行不同的工程設(shè)計(jì)與資源配置。設(shè)計(jì)人員可以對高層建筑工程進(jìn)行分級(jí)，在比較脆弱的位置設(shè)計(jì)多個(gè)抗震防線，這樣即使發(fā)生地震，也會(huì)有效防止連帶問題。此外，如果只是單一地設(shè)置一道防線，一旦發(fā)生余震，就有可能導(dǎo)致災(zāi)情的進(jìn)一步惡化。構(gòu)件之間的強(qiáng)弱關(guān)系也可以視作彈性變化的有效關(guān)系，在主體構(gòu)件遭受一定的沖擊之后，第一道防線就會(huì)被完全突破，由于后面防線與第一道防線存在一定的受力距離，因此第一道防線不會(huì)直接對第二道防線造成影響，進(jìn)而有效保證了建筑物的安全性。
3.3建筑不同部位的抗震設(shè)計(jì)原則
對于一些具有強(qiáng)弱關(guān)系、距離過大的位置，設(shè)計(jì)人員需要合理應(yīng)用不同的抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作之前，進(jìn)行受力試驗(yàn)，充分考慮并結(jié)合每個(gè)構(gòu)件的承載能力，準(zhǔn)確判斷局部構(gòu)件的承載能力是否符合荷載要求。但是，除了局部構(gòu)件的穩(wěn)定性需要再次確定以外，整體構(gòu)件的穩(wěn)定性不能因?yàn)榫植繕?gòu)件的穩(wěn)定性增強(qiáng)后而受到忽視。簡單來說，局部構(gòu)件的受力效果、剛性程度、承載力的協(xié)調(diào)狀況都需要根據(jù)構(gòu)件形式的不同進(jìn)行適度調(diào)整。另外，現(xiàn)場建設(shè)人員需要有效保證局部構(gòu)件受力均勻，不能因?yàn)槟硞€(gè)部位承載力較強(qiáng)，就減小這個(gè)部位的強(qiáng)度，因?yàn)檫@會(huì)增加其他部位的荷載，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，就會(huì)影響整個(gè)建筑物的穩(wěn)定性。
4高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
4.1合理選擇建筑位置及構(gòu)造體系
設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面分析我國實(shí)際的地震災(zāi)害情況。通過分析可知，如果建筑物的位置不同，那么建筑物所承受的地震作用力也會(huì)存在差異，最主要的原因是建筑物所在區(qū)域的地質(zhì)條件不同。為了解決這些問題，在建筑項(xiàng)目選址時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須充分考慮以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：①項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)部的地質(zhì)環(huán)境應(yīng)具有較強(qiáng)的抗震能力，為保證建筑物的安全性打下良好基礎(chǔ)；②在選址時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)最大限度地避免選址周圍存在危險(xiǎn)性較高的建筑物，例如一些石油存儲(chǔ)建筑、變電站、化工廠等，選址與這些建筑物必須保持一定的安全距離。此外，在建筑物的抗震規(guī)劃中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對部分構(gòu)件與整體構(gòu)件之間的關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，有效避免因局部問題而對建筑的穩(wěn)定性與承載力造成影響。在規(guī)劃時(shí)，規(guī)劃人員要在合理范圍內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)具有一定的變形空間，并且在內(nèi)力分配性能與贅余度方面進(jìn)行合理控制。當(dāng)有效控制這些環(huán)節(jié)后，一旦發(fā)生一般地震，哪怕部分構(gòu)件出現(xiàn)問題，剩余的構(gòu)件依然可以發(fā)揮抗震作用。在規(guī)劃建筑物的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，規(guī)劃人員必須合理控制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛韌度，更要重視框架結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)固性，增加底層柱的支撐強(qiáng)度，保證塑性能夠符合實(shí)際抗震要求。
4.2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化
結(jié)構(gòu)工程師在對高層建筑進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須對最終敲定的方案進(jìn)行細(xì)致篩選。所敲定的方案需要符合現(xiàn)階段國家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只有這樣，才會(huì)使主體結(jié)構(gòu)擁有十分充足的空間，與此同時(shí)，在延性作用力的帶動(dòng)下，讓主體結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原有的狀態(tài)，可以有效降低結(jié)構(gòu)變形，從而保證建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)受到負(fù)面因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)可以在長時(shí)間內(nèi)保持相對平衡的狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員必須詳細(xì)計(jì)算在不同作用力下對混凝土結(jié)構(gòu)造成影響的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)結(jié)果重新設(shè)計(jì)構(gòu)件的整體布局方式，在確?？茖W(xué)性的同時(shí)，優(yōu)化和協(xié)調(diào)建筑內(nèi)部設(shè)施的受力狀況，實(shí)現(xiàn)建筑受力平衡，增強(qiáng)建筑承受外部作用力的能力，有效解決豎向重力引發(fā)的各種問題，進(jìn)而逐漸達(dá)到原有規(guī)劃中的剛度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)結(jié)構(gòu)要具有一定的條理性，保證不會(huì)出現(xiàn)其他復(fù)雜情況，這樣就能提高建筑物的實(shí)際抗震效果。另外，設(shè)計(jì)人員需要深入研究地震災(zāi)害的記錄信息，結(jié)合信息內(nèi)容與當(dāng)前建筑的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)用一些抗震性較強(qiáng)的方案；對于細(xì)節(jié)部分，也需要開展精細(xì)化處理，使得建筑結(jié)構(gòu)自上而下承受的重力保持一致。其實(shí)，也正是由于重力作用，地震水平層面與豎向?qū)用嫠a(chǎn)生的作用力會(huì)在一定程度上減弱地震的破壞力，從而達(dá)到提高綜合抗震能力的效果。
4.3合理控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)
一般而言，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之后，建筑的水平方向、豎直方向都會(huì)引發(fā)較強(qiáng)的作用力，建筑內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用力。建筑也正是因?yàn)槌惺芰硕鄠€(gè)方向的力量，實(shí)際的破壞程度極為嚴(yán)重，例如房屋倒塌、房屋傾斜等。地震發(fā)生具有突發(fā)性、偶然性的特點(diǎn)，人們很難提前預(yù)料，不穩(wěn)定因素較多。所以，在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要高度重視扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。設(shè)計(jì)人員如果在建設(shè)規(guī)劃初期沒有實(shí)踐性的資料作為參考，就需要在規(guī)劃之前選擇所測量的位移部分的剛度和減弱最小位移的帶點(diǎn)剛度，有效保證結(jié)構(gòu)在整體性環(huán)境中位移的一致性。與此同時(shí)，建筑的全部細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)都應(yīng)該達(dá)到國家的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，只要發(fā)現(xiàn)其中任何位置的設(shè)計(jì)存在不合理的情況，設(shè)計(jì)人員都必須在第一時(shí)間對其進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整，以便于將扭轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的影響降到最低。
4.4強(qiáng)化各層建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置
建筑中的各個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的目的是，在地震災(zāi)害出現(xiàn)之后，對各種受力影響、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)施所承受的沖擊進(jìn)行模擬，并且有序完成計(jì)算，計(jì)算的內(nèi)容包括墻體的承載能力以及主梁變形情況等。在初期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要提前了解建筑場地的地形條件、項(xiàng)目的具體位置及周邊環(huán)境、建筑所需材料、建筑建設(shè)工藝、建筑質(zhì)量檢測等內(nèi)容。在深度了解到這些內(nèi)容之后，設(shè)計(jì)人員需要掌控其中的關(guān)鍵點(diǎn)，有效設(shè)置基礎(chǔ)選型，并且融合建設(shè)理念與專項(xiàng)技能，完成建筑結(jié)構(gòu)的樣板設(shè)計(jì)；對于一些比較關(guān)鍵的位置，設(shè)計(jì)人員必須給予詳細(xì)說明，從而提高抗震結(jié)構(gòu)的綜合效果。設(shè)計(jì)人員在對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的綜合受力狀況進(jìn)行研究的過程中，需要應(yīng)用力學(xué)知識(shí)，包括拉應(yīng)力理論、建筑彈性模量理論等，從而考察目前建筑物的受力情況是否符合建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)。只有掌控了具體的標(biāo)準(zhǔn)，才能為后續(xù)的結(jié)構(gòu)抗震能力設(shè)計(jì)提供有效的參考數(shù)據(jù)。常規(guī)而言，高層建筑結(jié)構(gòu)所涉及的參數(shù)內(nèi)容包括振動(dòng)周期、剛度比例及扭轉(zhuǎn)角度等。因此，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模式，并不能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果。這就要求設(shè)計(jì)人員通過復(fù)雜的計(jì)算，在保證結(jié)構(gòu)抗震能力的同時(shí)，提高整體建筑結(jié)構(gòu)的合理性與穩(wěn)定性。
4.5有效開展建筑平面布置
在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)該堅(jiān)持合理性、對稱性、均勻性的基本原則，有序地完成平面布置工作。一般而言，在水平地震波的作用下，建筑的各個(gè)樓層都會(huì)產(chǎn)生明顯偏移。具體來說，建筑的各個(gè)樓層都會(huì)產(chǎn)生完全變形、整體平移、整體扭動(dòng)及剪切變形。因此，不同的結(jié)構(gòu)需要應(yīng)用不同的控制方式，只有這樣，才能有效控制變形。控制方式包括縮減柱距離、縮減梁距離、設(shè)置鋼臂、應(yīng)用雙重抗側(cè)體系、設(shè)置豎向支撐等。設(shè)計(jì)人員需要采取交錯(cuò)式的設(shè)計(jì)方法來擴(kuò)大建筑房屋的跨度，從而有效提高建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震能力，并且不會(huì)對建筑薄弱層位置造成拉伸影響，不會(huì)引起較大的位移和形變，最終使得高層建筑物的整體抗震能力達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
5結(jié)語
綜上所述，高層建筑混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與規(guī)劃和人們的住房安全及生活質(zhì)量有著緊密的關(guān)聯(lián)性，建筑設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵守各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化，在做好各項(xiàng)優(yōu)化工作的同時(shí)，提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力，以實(shí)現(xiàn)抗震結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)。
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作者:馬強(qiáng) 單位:陜西恒瑞建筑設(shè)計(jì)工程有限公司
