淺談高層建筑抗震設(shè)計(jì)措施
為了減輕地震所造成的損害，高層建筑的抗震能力必須得到有效的提高，那么，高層建筑抗震設(shè)計(jì)措施是?
摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市不斷壯大，促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。但我國(guó)人口眾多，城市用地不足，高層建筑逐漸成為了城市建設(shè)的主導(dǎo)。高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問(wèn)題。和其他自然災(zāi)害不一樣，地震是很難做到提前預(yù)防。到目前為止，在世界范圍內(nèi)，地震的預(yù)測(cè)是公認(rèn)的難題。高層建筑的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)人士急需要解決的問(wèn)題。文章通過(guò)對(duì)高層建筑抗震性能的理論研究，提出了在前期施工和設(shè)計(jì)時(shí)所需要注意的問(wèn)題，并給出了具體的防范措施，希望能得到同行的認(rèn)可和指教，切實(shí)可行的落實(shí)到設(shè)計(jì)修建當(dāng)中。
關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震設(shè)計(jì);形體;構(gòu)件布置
為了減輕地震所造成的損害，高層建筑的抗震能力必須得到有效的提高。但由于地震發(fā)生的突然性以及不確定性，因此在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)不能只依賴(lài)?yán)碚摰挠?jì)算，更多的應(yīng)該結(jié)合以往災(zāi)害發(fā)生的原因和前人總結(jié)的抗震理念。以此實(shí)現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的基本理念，盡可能的降低地震所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，給廣大人民群眾一個(gè)舒心的生活環(huán)境。
1我國(guó)地震的特點(diǎn)
基于構(gòu)造地震的活動(dòng)特點(diǎn)，和特殊的自然條件和地形、社會(huì)條件以及歷史因素，我國(guó)的地震災(zāi)害主要有以下特點(diǎn)：①地震的頻率較高。我國(guó)地處世界兩大地震帶-環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，有非常明顯的地震活動(dòng)性，光記錄在案七級(jí)以上的地震就有十多起，5級(jí)以下的地震一年發(fā)生上千起;②災(zāi)情較為嚴(yán)重。我國(guó)大陸的地震震源一般都比較淺，大都在地殼內(nèi)部10～25km，破壞力可想而知。超過(guò)五級(jí)的地震，在我國(guó)就會(huì)造成大量的房屋倒塌和人員的傷亡;③伴有很?chē)?yán)重的次生災(zāi)害。我國(guó)地勢(shì)西高東低，呈階梯狀分布，地勢(shì)復(fù)雜多樣，丘陵、山地、平原、盆地、高原均有分布。地震的直接災(zāi)害，常常會(huì)引起火災(zāi)、水災(zāi)、滑坡、泥石流、臺(tái)風(fēng)、海嘯，由于震后人員的安置比較集中，密度較大，加之震后醫(yī)療設(shè)備的不齊全，衛(wèi)生環(huán)境跟不上，很容易導(dǎo)致大規(guī)模疫情的傳播，給人們身體和心理上造成多重的傷害，遠(yuǎn)比地震的直接損害要更為嚴(yán)重;④成災(zāi)面積廣，地震波及范圍大，發(fā)生一次規(guī)模較大的地震，它有可能波及震中周?chē)鷰装倩蛘呱锨Ч镏畠?nèi)的地界。如我國(guó)2008年5月12號(hào)發(fā)生的汶川地震，除了黑龍江和遼寧，其他省份均有明顯的震感，最遠(yuǎn)波及到了3000km之外的曼谷，可想而知它的威力之大、范圍之廣;⑤地震災(zāi)害呈一定的周期，目前我國(guó)處于地震高發(fā)時(shí)期，可能會(huì)維持到下個(gè)世紀(jì)初，因此一定要提前做好預(yù)防，加強(qiáng)建筑的抗震能力。
2建筑形體及構(gòu)件布置的規(guī)則性對(duì)高層抗震的影響
2.1平面不規(guī)則
平面不規(guī)則的類(lèi)型主要分為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)。《規(guī)范》規(guī)定：建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)并具有良好的整體性。層間的布置、劃分屬于建筑平面的布置。內(nèi)墻結(jié)構(gòu)的布置、可活動(dòng)的空間面積、樓梯與通道的布置位置、竹子間的距離大小、樓層間的變化布置等。如果在建筑平面時(shí)，墻體不對(duì)稱(chēng)布置，柱子與墻體不協(xié)調(diào)、不對(duì)稱(chēng)分布，在平面上將會(huì)造成建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度不協(xié)調(diào)、不對(duì)稱(chēng)分布，在地震時(shí)使建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)地震作用。有的建筑物的電梯井筒的剛度很大，卻被布置在建筑平面的一側(cè)或角部，發(fā)生地震時(shí)，使得靠電梯井筒一側(cè)建筑物破壞嚴(yán)重，這是由于地震作用的主要部分被電梯井筒很大的抗側(cè)力剛度吸引了，此典型震害的一例就是1972年的南美洲那瓜高十五層的中央銀行大廈。因?yàn)椴糠纸ㄖ镌诓贾闷矫鏁r(shí)一側(cè)墻少，一側(cè)墻多，內(nèi)隔墻中斷或不對(duì)稱(chēng)，所以在地震發(fā)生時(shí)，地震力傳遞受阻和剛度發(fā)生突變等，這些都表明平面布置影響結(jié)構(gòu)抗震很明顯。
2.2豎向不規(guī)則
豎向不規(guī)則的類(lèi)型分為側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)建不連續(xù)、樓層承載力突變�！兑�(guī)范》規(guī)定：建筑的豎向剖面宜規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)建的材料強(qiáng)度和截面尺寸宜自上而下逐漸增大，防止抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。根據(jù)《規(guī)范》的要求對(duì)建筑的的突變限度和高度進(jìn)行限制，避免產(chǎn)生豎向不規(guī)則類(lèi)型，使豎向分布剛度和質(zhì)量比較均勻，防止產(chǎn)生突變，避免產(chǎn)生薄弱和扭轉(zhuǎn)。
3框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻受力特征
框剪結(jié)構(gòu)中能夠影響結(jié)構(gòu)剛度的因素有很多，諸如剪力墻的界面尺寸、數(shù)量、位置以及它自身的形狀等，其中對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響最深的是剛度理論。在框剪結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的剛度和剛度分布是由剪力墻布置的位置和數(shù)量決定的�！陡邔右�(guī)程》將高層建筑分為兩級(jí)，即高層建筑(A級(jí))，超限高層建筑(B級(jí))，對(duì)應(yīng)于不同的抗震設(shè)計(jì)等級(jí)，不同結(jié)構(gòu)有不同的適用高度�？蚣艚Y(jié)構(gòu)中，發(fā)揮最大作用的是剪力墻。剪力墻是抗側(cè)力構(gòu)件，采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)在兩個(gè)主軸外側(cè)布置剪力墻，從而形成雙向側(cè)力體系�？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系是利用梁柱組成的縱橫兩個(gè)方向的框架形成的結(jié)構(gòu)體系。它同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載。其主要優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可形成較大的建筑空間，建筑立面處理比較方便。主要缺點(diǎn)是是橫向剛度小，當(dāng)層數(shù)較多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)移，易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件(如隔墻，裝飾等)破壞進(jìn)而影響使用。在非地震區(qū)，框架結(jié)構(gòu)一般不超過(guò)15層�？蚣芙Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析通常是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確分析。框架剪力墻結(jié)構(gòu)也稱(chēng)框剪結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，構(gòu)成靈活自由的使用空間，滿(mǎn)足不同建筑功能的要求，同時(shí)又有足夠的剪力墻，有相當(dāng)大的側(cè)向剛度(剪力墻的側(cè)向剛度大就是指在水平荷載(風(fēng)荷載和水平地震力)的作用下抵抗變形能力強(qiáng))。框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是側(cè)向剛度小，當(dāng)層次較多時(shí)，全產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)移，易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件破壞而影響使用，但它具有平面布局靈活，可形成較大建筑空間的優(yōu)點(diǎn)，為了保留這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又提高其側(cè)向剛度，便產(chǎn)生了框架剪力墻結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在保留框架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上由于增設(shè)了抵抗剪力的剪力墻，從而地增加了其側(cè)身剛度，在這個(gè)結(jié)構(gòu)體系中剪力墻承擔(dān)了80%的以上的水平荷載，而其中的框架僅承擔(dān)了約20%，這與框架結(jié)構(gòu)中不管什么方向的荷載均由框架全部承擔(dān)的情況是不同的。當(dāng)建筑高度、設(shè)防烈度、建筑重要性類(lèi)別、基底類(lèi)別等均相同的情況下，對(duì)框架結(jié)構(gòu)中的框架要求要比框剪結(jié)構(gòu)中框架的要求等級(jí)要高得多。框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：建筑平面布置靈活，外墻立面設(shè)計(jì)也較為靈活，其變形特點(diǎn)為剪切變形和彎曲變形組合起來(lái)的剪切型變形，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件類(lèi)型少，易于標(biāo)準(zhǔn)化，定型化，在材料變形性能良好的時(shí)候，可以建造到30層，一般情況下15～20層為好。剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：整體性能好，剛度大，在水平作用下側(cè)向變形小，承載力要求也比較容易滿(mǎn)足，其側(cè)向變形為彎曲型，但是由于剪力墻的間距不能過(guò)大，所以其平面布置不夠靈活。為了克服其缺點(diǎn)，會(huì)使用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，跳層剪力墻結(jié)構(gòu)。
4高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響
4.1整體抗震
所謂建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用就是地震作用，這不僅與地震強(qiáng)烈程度有關(guān)，而且很大的關(guān)系在于其本身的動(dòng)力特性，剪重比和基底剪力是衡量結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的兩個(gè)常用指標(biāo)。高規(guī)推薦的高寬比是以6為界限，取高寬比以6的基底剪力為參考值的兩種結(jié)構(gòu)，得出結(jié)構(gòu)基地剪力在高寬比變化時(shí)，相對(duì)高寬比為6時(shí)的相對(duì)值(見(jiàn)圖1)。高寬比在增大時(shí)，結(jié)構(gòu)基底剪力大約呈線(xiàn)性增大，結(jié)構(gòu)受的地震力隨高度增大成比例增大，且剪力端結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)速度比較快。結(jié)構(gòu)重力載荷和水平地震作用之比在逐步增大，起初，下滑成都比較快，隨后變化就較穩(wěn)定，顯示了在結(jié)構(gòu)周期加長(zhǎng)時(shí)，結(jié)構(gòu)更柔，地震反應(yīng)減小的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。
4.2經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
若僅從結(jié)構(gòu)安全角度看，目前高規(guī)中在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中可以放寬高寬比限制。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)建筑高度增加時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩方面的變化。一方面，高寬比比較大時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)移將會(huì)隨之發(fā)生變化，呈正向關(guān)系增大，與此同時(shí)，抗傾覆能力和整體穩(wěn)定性則會(huì)受到負(fù)面影響，呈現(xiàn)下降趨勢(shì);另一方面，水平荷載將會(huì)短時(shí)間出現(xiàn)變化，迅速增大。在水平荷載作用時(shí)，建筑頂部位移同傾覆力矩呈現(xiàn)正相關(guān)。具體而言，建筑物頂部位移越大，傾覆力矩越大，反之亦然，高度四次方成正比，同寬度成反比。為了使結(jié)構(gòu)剛度、抗傾覆能力和穩(wěn)定性足夠，需要增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，材料用量也會(huì)隨之增大，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性更差。
5提高高層建筑抗震性能的具體措施
在高層建筑的建造中，不僅要滿(mǎn)足材料的強(qiáng)度、硬度等要求，還應(yīng)使其具有較好的延展性，并在指定的部位具有屈服區(qū)域。具體分為以下方面：①提高高層建筑地基的穩(wěn)定性和其短柱的抗壓能力。提高剪跨比，從而減小短柱的截面積，提高抗震性能。其主要方法是采用等級(jí)較高的混凝土材料并與其他可提高材料延展性的方法相結(jié)合，運(yùn)用于實(shí)際施工中，提高抗震性能;②采用性能更為優(yōu)良的混凝土-鋼管混凝土柱來(lái)做建筑的整體結(jié)構(gòu)，有于鋼管內(nèi)部的混凝土一直處于受壓狀態(tài)，其相對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變及抗壓強(qiáng)度都得到了很大的提升，解決一般混凝土延展性不好的問(wèn)題;③設(shè)計(jì)之初要進(jìn)行全面的分析。高層建筑結(jié)構(gòu)的模型在建設(shè)前能適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡(jiǎn)化，但是其整體受力和關(guān)鍵部位的受力是絕對(duì)要在模型上體現(xiàn)出來(lái)的，構(gòu)件的參數(shù)及恢復(fù)力模型的選擇，應(yīng)該符合我國(guó)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不能一味的抄襲已有的外國(guó)行業(yè)參數(shù)。根據(jù)地震等級(jí)的不同來(lái)選擇與之相對(duì)應(yīng)的彈塑性狀態(tài)，要從結(jié)構(gòu)的位移、承載力、抗壓力、屈服度、阻尼比等數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析和討論，正確的運(yùn)用到實(shí)際的施工中去。
6結(jié)束語(yǔ)
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)日益繁榮，越來(lái)越多的高樓大廈拔地而起，給人們帶來(lái)便利和美的享受的同時(shí)，建筑行業(yè)更應(yīng)該關(guān)注的是高層建筑的抗震性能。自然災(zāi)害的發(fā)生總是那么的殘酷無(wú)情而且毫無(wú)征兆。要想更好的建設(shè)國(guó)家，就必須做到提前預(yù)防，在建筑本身做文章，提高其抗震性能和應(yīng)對(duì)各種自然災(zāi)害的能力。只有這樣才能讓人們?cè)诿鎸?duì)強(qiáng)大的天災(zāi)面前有足夠的反應(yīng)時(shí)間，才能真正的享受城市所帶來(lái)的便利。
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