劉琨　李凌翔

摘要：近年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市現(xiàn)代化建設(shè)的步伐日益加快，對于建設(shè)用地要求也越來越迫切，地價(jià)的不斷攀升促使了建筑向著高層化演變，在高層建筑不斷的向更高層發(fā)展建設(shè)中，高層建筑的抗震問題成為了一個(gè)核心的話題。

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

前言

在建筑物高度不斷增加的情況下，建筑物的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，而且一些不規(guī)則形體建筑也開始出現(xiàn)。在這種情況下，就對建筑物的抗震性能提出了較高的要求，因此，在當(dāng)前高層建筑中，需要對抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)考慮，從而有效的提高高層建筑的安全性和穩(wěn)固性。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要要點(diǎn)

由于地震的不可預(yù)知性，高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中很難準(zhǔn)確地預(yù)測建筑物所遭遇的地震特性和基本參數(shù)，只靠計(jì)算很難使高層建筑結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能，這就要求每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師必須重視建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.1 建筑結(jié)構(gòu)的平面布置

建筑結(jié)構(gòu)的平面布置是影響結(jié)構(gòu)抗震的重要因素，合理建筑平面布置對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。大量地震災(zāi)害表明，平面布置簡單、對稱規(guī)則、質(zhì)量和剛度分布比較均勻并且具有明確傳力途徑的建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不容易發(fā)生破壞。規(guī)則結(jié)構(gòu)能較為準(zhǔn)確地預(yù)估結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和地震時(shí)的反應(yīng)，較容易采取有效的抗震措施及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施來加強(qiáng)其抗震性能。相反，平面布置復(fù)雜、不對稱且不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，其地震作用效應(yīng)很難估計(jì)的。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)中規(guī)范規(guī)定，宜采用規(guī)則結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)的體系選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就優(yōu)先采用具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系。例如：框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)可以作為地震區(qū)高層建筑的首選體系。當(dāng)建筑物高度不高且層數(shù)不多時(shí)，可采用框架結(jié)構(gòu)。但當(dāng)建筑物位于地震區(qū)，且高度均較高時(shí)，應(yīng)避免采用框架結(jié)構(gòu)、板柱剪力墻結(jié)構(gòu)。因?yàn)?，地震具有?qiáng)破性且持續(xù)時(shí)間很長，往復(fù)次數(shù)較多，能夠?qū)ㄖ镌斐衫鄯e破壞。單一的結(jié)構(gòu)體系在遭遇地震時(shí)，一旦發(fā)生破壞，很容易造成房屋倒塌，危及人們的生命及財(cái)產(chǎn)的安全。當(dāng)結(jié)構(gòu)體系具有多道防線時(shí)，當(dāng)遭遇地震時(shí)，第一道防線遭破壞后，后續(xù)的防線仍然能抵抗地震的沖擊力，可以最低限度的防止建筑物的倒塌，給人們以充分的時(shí)間進(jìn)行逃生，保證人民的生命安全。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的多道防線是進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)所必須設(shè)置的。

1.3 結(jié)構(gòu)薄弱層

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布不均勻、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)和樓層承載力突變時(shí)，容易產(chǎn)生薄弱層。薄弱層在地震中是最先遭受破壞的部位。因此，對有明顯薄弱層的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施來提高其抗震能力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際承載能力是判斷薄弱層部位的基礎(chǔ)，有意識、有目的地控制薄弱層部位，讓它有足夠的變形能力，而且不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段。

2 高層建筑構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震的技術(shù)原理

高層建筑構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震需要做好兩個(gè)方面：一個(gè)是建筑結(jié)構(gòu)的隔震；二是建筑結(jié)構(gòu)的減震。

2.1 高層建筑構(gòu)的隔震技術(shù)原理

高超隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在在高層建筑物下方設(shè)置一種地震時(shí)比其他層產(chǎn)生更大水平變形的“隔震層，使得振動(dòng)能量不容易傳遞到上方建筑物，從而會讓上層建筑物減小與地基出現(xiàn)共振現(xiàn)象，有集中吸收振動(dòng)能量的作用。具體構(gòu)件可以分為三個(gè)部分：（1）鉛制緩沖構(gòu)件，這是一種利用高純度的鉛材料的塑性變形而制成構(gòu)件。（2）鋼制緩沖構(gòu)件，這是一種利用鋼料的塑性變形，起著衰減振動(dòng)的作用而制成的構(gòu)件。（3）疊層橡膠，這是一種將厚度數(shù)毫米的橡膠與鋼板兩者交互重疊接合，施加熱與壓力，避免與地基共振，發(fā)揮橡膠特有的彈性，保持了垂直方向堅(jiān)硬而設(shè)計(jì)的做法。根據(jù)高層對建筑不同位置，建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)又可以分為四種：（1）基礎(chǔ)抗震，這種抗震位置在建筑基礎(chǔ)與上層結(jié)構(gòu)部分之間。裝置通常常是夾層橡膠墊隔震、基底滑移隔震和混合隔震。（2）地基隔震，這種抗震位置設(shè)置在建筑基礎(chǔ)下的地基當(dāng)里，材料通常用砂、糯米和軟粘土，在發(fā)生地震時(shí)有多次吸收、反復(fù)吸收能量波的作用。（3）懸掛隔震，顧名思義就是建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行懸掛設(shè)計(jì)和建造的隔震技術(shù)。（4）層間隔震，這是一種融合了隔震技術(shù)和抗震技術(shù)安裝的耗能減震裝置可以吸收地震發(fā)生產(chǎn)生的能量，降低建筑結(jié)構(gòu)在地震中反應(yīng)的強(qiáng)烈。

2.2 高層建筑構(gòu)的減震技術(shù)原理

結(jié)構(gòu)減震目的是有效的控制建筑結(jié)構(gòu)的移位，按照減震方式的不同，高層建筑構(gòu)減震分為三種方式。

（1）消能減震。該技術(shù)是憑借建筑結(jié)構(gòu)附加阻力值的提高達(dá)到減弱建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)程度。也就是在結(jié)構(gòu)中某些部位設(shè)置耗能元件，會在結(jié)構(gòu)振動(dòng)變形時(shí)使得滯回變形耗散能量，以至于在地震荷載下，不會破壞建筑結(jié)構(gòu)或破壞程度在允許范圍內(nèi)。能減震裝置的種類是比較多，包括摩擦阻力器粘滯阻力器和塑性阻力器等裝置。一是摩擦阻力器，該阻力器是利用兩塊固體之間相對滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦來耗散能量。二是金屬阻力器，該阻力器是利用金屬的非彈性變形耗能，而金屬阻力器具體又分為軟鋼阻力器、鉛陰力器、形狀記憶合金阻力器。三是粘滯阻力器，該陰力器是利用豁稠液體的粘性來耗散振動(dòng)能量。消能減震技術(shù)具有迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭損壞，具有非常的安全性。同時(shí)還具有非常大的經(jīng)濟(jì)性，消能減震加固方法相比傳統(tǒng)抗震加固方法可以達(dá)到節(jié)省10%～60%的造價(jià)。

（2）蹺動(dòng)減震。該技術(shù)有兩種做法：一是在建筑結(jié)構(gòu)中對于要承受地震能量較大的柱，以及支撐等結(jié)構(gòu)與建筑下部基礎(chǔ)，采取不緊固設(shè)計(jì)方法。二是在建筑上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)采取豎向上的不緊固設(shè)計(jì)方法。

（3）機(jī)械減震。該技術(shù)是利用建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼支撐與外包鋼管問的不粘結(jié)性，或者是在建筑物的內(nèi)部用鋼支撐與外包鋼服并在鋼管混凝土上涂抹無粘結(jié)漆，以此形成滑移的界面。

3 提高高層建筑抗震性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先是地基地質(zhì)的勘察設(shè)計(jì)。在復(fù)雜地形下對建筑物平面進(jìn)行布置時(shí)，會存在建筑物的質(zhì)心和鋼心不一樣的現(xiàn)象，使得高層建筑物重心不穩(wěn)的狀況，尤其是在地震發(fā)生中建筑結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)很大的扭曲，造成破壞的加大。所以按照建筑場地地基地質(zhì)特點(diǎn)與受地震破壞作用的強(qiáng)弱做好分類，遵循形狀規(guī)則、豎向均勻和結(jié)構(gòu)對稱的原則，并且根據(jù)建筑場地的實(shí)際情況做好抗震措施，保證建筑結(jié)構(gòu)的重心保持穩(wěn)定，如根據(jù)地基地質(zhì)抗震設(shè)防類別、地基液化等級方面，采取地基和上部結(jié)構(gòu)整體性剛度的加強(qiáng)措施，避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頭重腳輕的現(xiàn)象。

3.2 建筑材料合理選擇運(yùn)用

高層建筑結(jié)構(gòu)材料的選擇在抗震性能方面有關(guān)鍵性的影響。在地震時(shí)，高層建筑物遭受地震的作用力和建筑結(jié)構(gòu)的剛度往往是成正向比例的，也就是建筑物中重量越大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，遭受地震的影響也就會越大。所以在對建筑材料進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)該選用符合高層建筑抗震要求的工程材料。一方面在確保安全的基礎(chǔ)前提下，建筑屋面構(gòu)件中用用輕質(zhì)材料來代替厚重的材料，以此減少建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體重量，不同材料結(jié)構(gòu)類型性能是不一樣，按照抗震性能多采用鋼結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)還應(yīng)考慮材料經(jīng)濟(jì)性和建筑施工過程中質(zhì)量管理，在注重安全性的同時(shí)，也要注重工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

近年來我國發(fā)生了幾次強(qiáng)烈的地震，這給高層建筑的抗震性能帶來了嚴(yán)竣的考驗(yàn)，從震后的情況分析來看，高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震方面表現(xiàn)并不如人意。因此，還需要努力提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)水平，采用科學(xué)的抗震設(shè)計(jì)方法確保設(shè)計(jì)出來的抗震結(jié)構(gòu)具有較好的先進(jìn)性，從而努力提高高層建筑的抗震效果，有效地減少地震發(fā)生時(shí)所給人們生命和財(cái)產(chǎn)帶來的損失。