梁沛林

摘要：高層建筑已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前時(shí)代建筑發(fā)展的主流建筑形態(tài)之一，對于高層建筑，其抗震效能的分析一直是國內(nèi)外建筑抗震設(shè)計(jì)分析的研究熱點(diǎn)，而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設(shè)計(jì)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，只有從高層建筑物內(nèi)部實(shí)施結(jié)構(gòu)抗震，才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；措施

1高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的布置原則

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)體系確定后，結(jié)構(gòu)總體布置應(yīng)當(dāng)密切結(jié)合建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行，使建筑物具有良好的造型和合理的傳力路線。因此，結(jié)構(gòu)體系受力性能與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能否做到先進(jìn)合理，與結(jié)構(gòu)布置密切相關(guān)。

一個(gè)先進(jìn)而合理的設(shè)計(jì)，不能僅依靠力學(xué)分析來解決。因?yàn)閷τ谳^復(fù)雜的高層建筑，某些部位無法用解析方法精確計(jì)算。因此，還要正確運(yùn)用“概念設(shè)計(jì)”?！案拍钤O(shè)計(jì)”是指對一些難以做出精確計(jì)算分析，或在某些規(guī)程中難以具體規(guī)定的問題，應(yīng)該由設(shè)計(jì)人員運(yùn)用概念進(jìn)行判斷和分析，以便采取相應(yīng)的措施，做到比較合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以下論述的諸方面均須用概念設(shè)計(jì)的方法加以正確處理。

1.1結(jié)構(gòu)平面布置

高層建筑的開間、進(jìn)深尺寸和選用的構(gòu)件類型應(yīng)符合建筑模數(shù)，以利于建筑工業(yè)化。在一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ。需要抗震設(shè)防的高層建筑，其平面布置應(yīng)符合下列要求：

1）平面宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心。

2）平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過長，值宜滿足有關(guān)要求。

3）不宜采用角部重疊的平面圖形或細(xì)腰形平面圖形。

1.2結(jié)構(gòu)豎向布置

高層建筑的高寬比不宜過大，一般將高寬比控制在5～6以下，當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時(shí)，限制應(yīng)更嚴(yán)格一些。高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。

1.3變形縫的設(shè)置

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為防止結(jié)構(gòu)因溫度變化和混凝土收縮而產(chǎn)生裂縫，常隔一定距離設(shè)置溫度伸縮縫；在高層部分和低層部分之間，由于沉降不同設(shè)置沉降縫；在地震區(qū)，建筑物各部分層數(shù)、質(zhì)量、剛度差異過大或有錯(cuò)層時(shí)，設(shè)置防震縫。溫度縫、沉降縫和防震縫將高層建筑劃分為若干個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的部分，成為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。在高層建筑里，應(yīng)盡量少設(shè)置變形縫，當(dāng)不可避免地需要設(shè)置變形縫時(shí)，應(yīng)確保各單元間的變形縫有足夠的寬度。

2高層建筑抗震設(shè)計(jì)存在的問題

2.1 缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。有的在擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段還缺建筑場地巖土工程的勘察資料，有的在擴(kuò)初設(shè)計(jì)會審之后就直接進(jìn)入了施工圖設(shè)計(jì)，有的在規(guī)劃設(shè)計(jì)或方案設(shè)計(jì)會審后就直接進(jìn)入了施工圖設(shè)計(jì)。無巖土工程勘察資料，設(shè)計(jì)缺少了必要的依據(jù)。

2.2抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)掌握不當(dāng)。有一些項(xiàng)目擅自提高了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，按照《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)（GB 50223-95）》劃分應(yīng)屬六度設(shè)防的，但設(shè)計(jì)中提高了一度按七度設(shè)防，提高了建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，將會增加工程投資；有的項(xiàng)目嚴(yán)格應(yīng)按七度采取抗震措施的，但設(shè)計(jì)中又按六度設(shè)防，減低了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，不利抗震。

2.3結(jié)構(gòu)的平面布置。外形不規(guī)則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質(zhì)心偏心大，同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。

2.4結(jié)構(gòu)的豎向布置。在高層建筑中，豎向體型有過大的外挑和內(nèi)收，立面收進(jìn)部分的尺寸比值B1/B不滿足≥0.75的要求。

2.5框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻抗震構(gòu)造措施不到位。砌體外圍護(hù)墻砌筑在框架柱外又沒有設(shè)置抗震構(gòu)造柱，框架間砌體填充墻高度長度超過規(guī)范規(guī)定要求又沒有采取相應(yīng)構(gòu)造措施。

2.6抗震構(gòu)造柱布置不當(dāng)。如外墻轉(zhuǎn)角處，大廳四角未設(shè)構(gòu)造柱或構(gòu)造柱不成對設(shè)置；以構(gòu)造柱代替磚墻承重；山墻與縱墻交接處不設(shè)抗震構(gòu)造柱；過多設(shè)置抗震構(gòu)造柱等。

2.7結(jié)構(gòu)其他問題。有的底層無橫向落地抗震墻，全部為框支或落地墻間距超長；有的僅北側(cè)縱墻落地，南側(cè)全為柱子，造成南北剛度不均；有的底層作汽車庫，設(shè)計(jì)時(shí)橫墻都落地，但縱墻不落地，變成了縱向框支；還有的底框和內(nèi)框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設(shè)計(jì)，其中幾乎很少有縱墻。

3加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本措施

3.1場地和地基的選擇

選擇建筑場地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對抗震有利、不利和危險(xiǎn)地段作出綜合評價(jià)。對不利地段，應(yīng)提出避開要求；當(dāng)無法避開時(shí)應(yīng)采取有效措施；選擇地基時(shí)，一般而言，巖石、半巖石和密實(shí)的地基土對房屋抗震最有利，是最好的建筑場地；而松軟的，軟弱粘性土等，尤其是易發(fā)生砂土液化的地區(qū)，都對房屋的抗震不利。同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上；同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基不采用樁基。

3.2建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。平面宜為矩形，方形、圓形等規(guī)則的平面，因?yàn)樾螤钜?guī)整，地震時(shí)能整體協(xié)調(diào)一致，并可以使結(jié)構(gòu)處理簡化。否則當(dāng)平面為L、T形時(shí)，形狀凸出凹進(jìn)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心不重和，地震是轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中，扭轉(zhuǎn)震動明顯，導(dǎo)致遠(yuǎn)離剛心的剛度較小的構(gòu)件，側(cè)移量加大，所分擔(dān)的水平地震力與顯著增大，很容易發(fā)生破壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)因一側(cè)結(jié)構(gòu)失效而倒塌。豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。如果豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，應(yīng)按規(guī)范有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析。

3.3建筑結(jié)構(gòu)材料的選取

在高層建筑結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)材料的選取是很重要的。從抗震角度設(shè)計(jì)來說，結(jié)構(gòu)體系的抗震等級，其實(shí)質(zhì)就是在宏觀上控制不同結(jié)構(gòu)的延性要求，例普通鋼筋宜選用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋；普通鋼筋的強(qiáng)度等級，縱向受力鋼筋宜選用HRB400級和HRB500級熱軋鋼筋，箍筋宜選用HRB335、HRB400和HPB300級熱軋鋼筋。這要求我們應(yīng)根據(jù)建設(shè)工程的各方面條件，選用既符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)類別，按此標(biāo)準(zhǔn)來衡量，使用不同材料的幾重結(jié)構(gòu)類型，依其抗震延性性能優(yōu)劣的順序是：鋼結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，配筋砌體結(jié)構(gòu)。

3.4隔震和消能減震設(shè)計(jì)

隔震和消能減震設(shè)計(jì)，應(yīng)主要用于使用功能有特殊要求的建筑，對于高層建筑，選擇堅(jiān)硬的場地土建造高層建筑，可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯(cuò)開地震動卓越周期，可防止共振破壞。隔震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)預(yù)期的水平減震系數(shù)和位移控制要求，選擇適的隔震支座及為抵抗地基微震動與風(fēng)荷載提供初剛度的部件組成的隔震層。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，減小樓層地震剪力。

3.5抗側(cè)力體系的優(yōu)化

對一般性構(gòu)造的高樓，剛比柔好，采用剛性結(jié)構(gòu)方案的高樓，不僅主體結(jié)構(gòu)破壞輕，而且由于地震時(shí)的結(jié)構(gòu)變形小，隔墻，圍護(hù)墻等非結(jié)構(gòu)部件將得到保護(hù)，破壞也會減輕。提高結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，在地震時(shí)能夠出現(xiàn)的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結(jié)構(gòu)就愈能經(jīng)受住較強(qiáng)地震而不倒塌。改善結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制，使結(jié)構(gòu)破壞十按照整體屈服機(jī)制進(jìn)行，而不是樓層屈服機(jī)制。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)遵循強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)壓弱拉的原則。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選定構(gòu)件中軸力小的水平桿件，作為主要耗能桿件，并盡可能使其發(fā)生彎曲耗能。從而使整個(gè)構(gòu)件具備較大的延性和耗能能力。

3.6常用的加固設(shè)計(jì)

針對抗震鑒定結(jié)論，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)不同體系及不同特點(diǎn)，在抗震加固時(shí)宜從以下幾個(gè)方面來考慮具體的加固方法：對了原有結(jié)構(gòu)體系存在明顯不合理的情況，條件許可時(shí)可采用增設(shè)構(gòu)件的方法予以改善，否則采取能同時(shí)提高承載力和變形能力的方法，使整體抗震能力滿足要求；對于需要提高承載力或結(jié)構(gòu)整體剛度的情況，可以增設(shè)構(gòu)件，擴(kuò)大原截面，設(shè)置套箍等方法；對了結(jié)構(gòu)的整體性連接不符合抗震要求的情況，可以以提高變形能力為思路；對于局部構(gòu)造不符合要求時(shí)，可進(jìn)行局部處理或改變傳力途徑，使地震作用由增設(shè)的構(gòu)件承擔(dān)，從而保護(hù)局部薄弱構(gòu)件；對于次要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不符合抗震要求的情況，可僅對可能倒塌傷人的部位加以處理。

3.7控制結(jié)構(gòu)變形

地震時(shí)建筑物的破壞程度，主要取決于主體結(jié)構(gòu)變形的大小。水平地震作用下高層結(jié)構(gòu)各樓層的側(cè)移，包含四種成分：整體剪切變形，整體彎曲變形，整體平移，整體轉(zhuǎn)動。對不同的結(jié)構(gòu)應(yīng)采取針對性的措施，控制結(jié)構(gòu)的變形。結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和震害調(diào)查表明，采用層間側(cè)移角度來評估結(jié)構(gòu)的損壞程度是比較合理的，《抗震規(guī)范》對高層結(jié)構(gòu)不同水準(zhǔn)下的層間側(cè)移角限值作出了規(guī)定。減小結(jié)構(gòu)側(cè)移的途徑主要有：減小框架的柱距和梁距，采用彎-剪雙重抗側(cè)力體系，設(shè)置剛臂，豎向支撐的交錯(cuò)布置，變平面構(gòu)件為立體構(gòu)件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與抗震，傾斜立面的利用，扭轉(zhuǎn)體型的應(yīng)用，雙曲線圓筒的應(yīng)用，加大房屋等有效寬度。

3.8減輕房屋自重

在高層地上部分的總重之中，各層樓蓋的自重越占40%左右，所以可通過采用密肋樓板、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)離平板，預(yù)制多孔板，現(xiàn)澆多孔板、應(yīng)用防火隔熱涂料等方法減輕樓板重量。鋼筋混凝土墻體較多的高層結(jié)構(gòu)中，應(yīng)在滿足承載力要求的前提下，適當(dāng)減薄墻體。使用高強(qiáng)混凝土、輕骨料混凝土、加氣混凝土、輕型隔墻、輕型圍護(hù)墻等措施也是減輕房屋自重的有效途徑。

4結(jié)語

未來，隨著城市人口的逐漸增多，建筑用地的日益減少，城市高層建筑必定會成為人們最佳選擇。而保證高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性、特別是要保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度是十分重要的。而高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)就逐漸成為建筑工程設(shè)計(jì)的重中之重。加強(qiáng)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)的理念和實(shí)踐的創(chuàng)新，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一，也是促使高層建筑物持續(xù)發(fā)展的重要條件。

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