摘 要：建筑設(shè)計為了追求多功能、多變的使用空間及豐富的立面設(shè)計效果，常采用較為復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)體系，從而使高層建筑抗震工作成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。本文分析和探討了現(xiàn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題，并采取必要的抗震措施，給出了高層建筑抗震設(shè)計中與工程設(shè)計實踐和研究工作方向有關(guān)的參考。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑抗震概念設(shè)計隔震與消震
　　中圖分類號:TU7文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)06(b)-0000-00
　　
　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展及社會需求的多樣性，建筑的高度越來越高，體型變得更加復(fù)雜，抗震設(shè)計也變得愈加困難。從20世紀最初提出簡單的抗震設(shè)計思想，到目前國際上普遍認可的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計理念，再到基于性能的抗震設(shè)計思想，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計經(jīng)過兩次質(zhì)的飛躍。我國是一個地處多地震帶國家，東鄰太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，地震分布較為廣泛，地震活動頻度高、震級大，是世界上遭受地震災(zāi)害較為嚴重的國家之一。一次大地震可能在不到一分鐘時間內(nèi)毀滅城市的一部分甚至整座城市，導(dǎo)致重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，如1976年7.6級的唐山大地震，2008年8.0級的汶川大地震以及2011年的日本9.0級大地震。由此可見，建筑物的抗震設(shè)防問題，是處于地震設(shè)防區(qū)域城市建設(shè)發(fā)展中所面臨的一個重要課題。
　　
　　1地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點
　　近幾十年國內(nèi)外發(fā)生的多次大地震資料中可以得出，在靜荷載下受力合理的結(jié)構(gòu)，在地震作用下就呈現(xiàn)出受力不合理而破壞，這是因為在地震作用下建筑物的動力反應(yīng)有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1.1地基方面
　?、僭诰哂休^厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高；②地基土液化導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而引起上部結(jié)構(gòu)損壞或整體傾斜；③建造在不利或危險地段的房屋建筑，因地基破壞導(dǎo)致房屋損壞。④當建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場地自振周期相近時，因共振效應(yīng)破壞程度將加重。
　　1.2 結(jié)構(gòu)體系方面
　?、俨捎谩疤顗蚣堋钡姆课萁Y(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切型破壞；②采用框架—抗震墻體系的房屋結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕；③采用“底框結(jié)構(gòu)”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴重；采用“填墻框架”體系的房屋，當?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴重破壞；④采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑，因樓板沖切或因樓層側(cè)移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面。
　　1.3 剛度分布方面
　?、倬匦纹矫娌贾玫慕ㄖY(jié)構(gòu)，電梯井等抗側(cè)力構(gòu)件的布置當存在偏心時，因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重；②采用三角形、L形等不對稱平面的建筑結(jié)構(gòu)，同樣在地震作用因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重。
　　1.4 構(gòu)件形式方面
　　①在框架結(jié)構(gòu)中，通常柱的破壞程度重于梁、板；②鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；③配置螺旋箍筋的混凝土柱，當層間位移角達到較大數(shù)值時，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；④鋼筋混凝土框架如在同一樓層出現(xiàn)長、短柱并用的情況，短柱破壞較為嚴重。
　　1.5 房屋體形方面
　　①L形、T形、Y形等不規(guī)則平面房屋建筑破壞率顯著增高；②有大底盤的高層建筑，裙房頂面與主樓相接處面積突然減小的樓層，即相鄰樓層質(zhì)量突變較大時，破壞程度加重；③防震縫設(shè)置寬度太小導(dǎo)致建筑物間發(fā)生碰撞破壞；④樓層平面形心與重心偏移越大，震害越嚴重。
　　
　　2 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計
　　地震作用影響因素極為復(fù)雜，是一種隨機、尚不能準確預(yù)見、計算的外部作用。目前規(guī)范給出的計算方法還是一種半經(jīng)驗半理論的方法，要進行精確的抗震計算還有一定的困難，因此人們在工程實踐中提出了“建筑抗震概念設(shè)計”?？拐鸶拍钤O(shè)計就是以工程概念為依據(jù)，從有利于提高結(jié)構(gòu)抗震力的概念上，用符合工程客觀規(guī)律和本質(zhì)的方法對所設(shè)計的對象進行宏觀的控制。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)該是綜合概念設(shè)計、計算和結(jié)構(gòu)措施等完整的一系列設(shè)計。概念設(shè)計強調(diào)在工程設(shè)計應(yīng)把握好場地選擇、能量輸入、房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等方面，從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和構(gòu)造措施，使設(shè)計出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。
　　
　　3 建筑結(jié)構(gòu)剛度、承載力和延性設(shè)計的合理匹配
　　當建筑結(jié)構(gòu)具有較高的抗力時，其總體延性的要求可有所降低；反之，較低的抗力需要較高的延性與其相配合。因此，對結(jié)構(gòu)提出了“綜合抗震能力”的概念，就是要綜合考慮整個結(jié)構(gòu)的承載力和構(gòu)造等因素衡量結(jié)構(gòu)抵抗地震作用的能力。地震時建筑物所受地震作用的大小與其動力特性密切相關(guān)，與其具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性密切相關(guān)。但是，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，通常是以提高工程造價及降低結(jié)構(gòu)延性指標為代價的。因此，提高建筑物的抗震性能，最理想的措施是使結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件都具有較高的延性，然而實際工程中很難做到。工程實踐中，有選擇的提高結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件以及關(guān)鍵桿件的延性是比較經(jīng)濟而行之有效的方法。綜上可見，在確定建筑結(jié)構(gòu)體系時，需要在結(jié)構(gòu)剛度、承載力及延性之間尋找一種較好的匹配關(guān)系。
　　
　　4 采取相應(yīng)的構(gòu)造措施加強薄弱環(huán)節(jié)
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計中始終要遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固”的設(shè)計原則，重視構(gòu)件的延性性能，加強薄弱部位；合理控制鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的直線段錨固長度，考慮溫度應(yīng)力的影響。除此之外，還應(yīng)注意按規(guī)整、均勻、對稱等原則考慮平、立面的布置。綜合考慮抗震的多道防線，盡量避免薄弱層的出現(xiàn)，以及正常使用極限狀態(tài)的驗算等等都需要概念設(shè)計作指導(dǎo)。加強薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計具體要求如下：
　?、僭诳拐鹪O(shè)計中要有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段；②結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下不存在強度安全儲備，構(gòu)件的實際承載力分析(而不是承載力設(shè)計值的分析)是判斷薄弱層的基礎(chǔ)；③要使樓層(部位)的實際承載力和設(shè)計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對較為均勻的變化，一旦樓層(部位)比例出現(xiàn)突變時，會由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。④要防止在結(jié)構(gòu)局部加強而忽視整個結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。
　　
　　5 結(jié)構(gòu)隔震與消震設(shè)計
　　為了提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，隔震和消能減震等抗震技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計使用功能有特殊要求的建筑，耗能元件及其體系可錯開地震動卓越周期，從而防止共振破壞，減輕地震振動效應(yīng)以及風(fēng)振。隔震即隔離地震，即在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層隔震層，使房屋與基礎(chǔ)隔離開來，隔離地面運動能量向建筑物的傳遞，以減小房屋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，實現(xiàn)地震時建筑物只發(fā)生較輕微運動和變形，從而保證建筑物的安全。消能減震則是通過在建筑物中設(shè)置消能部件，使地震輸入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗，一部分由結(jié)構(gòu)的動能和變形能承擔(dān)，以此達到減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。
　　隨著社會的不斷發(fā)展，對各種建筑物和構(gòu)筑物的抗震減震要求越來越高，使“延性結(jié)構(gòu)體系”的應(yīng)用日益局限，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和理論越來越難以滿足要求。而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性，在未來的建筑結(jié)構(gòu)中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。阻尼器在隔震與消震設(shè)計技術(shù)中應(yīng)用而生，阻尼器的性態(tài)應(yīng)通過在最大地震和最大風(fēng)荷載下的足尺試驗得到驗證。同時提高結(jié)構(gòu)阻尼，采用高延性構(gòu)件，能夠提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減輕地震作用。
　　
　　6 結(jié)語
　　結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的研究與進展，尤其是各國歷次大地震對人類造成的嚴重災(zāi)害的經(jīng)驗教訓(xùn)，使世界各國地震工程學(xué)者及抗震設(shè)計人員逐步取得了較為一致的認識，經(jīng)濟與安全的關(guān)系，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要技術(shù)政策。從長遠觀點看，如何從我國高層建筑抗震設(shè)計現(xiàn)狀及國際高層建筑抗震設(shè)計發(fā)展的趨勢出發(fā)，探求一種實用可行的合理抗震設(shè)計分析方法，是處于地震設(shè)防區(qū)域高層建筑發(fā)展的新方向。
　　
　　參考文獻
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