摘 要：建筑設(shè)計(jì)為了追求多功能、多變的使用空間及豐富的立面設(shè)計(jì)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(jì)的重點(diǎn)。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(jì)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(jì)中與工程設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)隔震與消震
　　中圖分類號(hào):TU7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791(2011)06(b)-0000-00
　　
　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會(huì)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(jì)也變得愈加困難。從20世紀(jì)最初提出簡(jiǎn)單的抗震設(shè)計(jì)思想，到目前國(guó)際上普遍認(rèn)可的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)理念，再到基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)經(jīng)過兩次質(zhì)的飛躍。我國(guó)是一個(gè)地處多地震帶國(guó)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(dòng)頻度高、震級(jí)大，是世界上遭受地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家之一。一次大地震可能在不到一分鐘時(shí)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(jì)損失和人員傷亡，如1976年7.6級(jí)的唐山大地震，2008年8.0級(jí)的汶川大地震以及2011年的日本9.0級(jí)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(gè)重要課題。
　　
　　1地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)
　　近幾十年國(guó)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?yàn)樵诘卣鹱饔孟陆ㄖ锏膭?dòng)力反應(yīng)有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　1.1地基方面
　?、僭诰哂休^厚軟弱沖積土層場(chǎng)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(xiǎn)地段的房屋建筑，因地基破壞導(dǎo)致房屋損壞。④當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場(chǎng)地自振周期相近時(shí)，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(yán)重；采用“填墻框架”體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)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(dāng)存在偏心時(shí)，因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而使震害加重；②采用三角形、L形等不對(duì)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(dòng)而使震害加重。
　　1.4 構(gòu)件形式方面
　?、僭诳蚣芙Y(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(huì)出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；③配置螺旋箍筋的混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到較大數(shù)值時(shí)，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(zhǎng)、短柱并用的情況，短柱破壞較為嚴(yán)重。
　　1.5 房屋體形方面
　?、貺形、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(shí)，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(yán)重。
　　
　　2 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)
　　地震作用影響因素極為復(fù)雜，是一種隨機(jī)、尚不能準(zhǔn)確預(yù)見、計(jì)算的外部作用。目前規(guī)范給出的計(jì)算方法還是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，要進(jìn)行精確的抗震計(jì)算還有一定的困難，因此人們?cè)诠こ虒?shí)踐中提出了“建筑抗震概念設(shè)計(jì)”?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)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(duì)所設(shè)計(jì)的對(duì)象進(jìn)行宏觀的控制。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該是綜合概念設(shè)計(jì)、計(jì)算和結(jié)構(gòu)措施等完整的一系列設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在工程設(shè)計(jì)應(yīng)把握好場(chǎng)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(jì)算和構(gòu)造措施，使設(shè)計(jì)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(jì)的合理匹配
　　當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)具有較高的抗力時(shí)，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(duì)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(gè)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(shí)建筑物所受地震作用的大小與其動(dòng)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(jià)及降低結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)為代價(jià)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(shí)際工程中很難做到。工程實(shí)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(jì)而行之有效的方法。綜上可見，在確定建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí)，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(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中始終要遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”的設(shè)計(jì)原則，重視構(gòu)件的延性性能，加強(qiáng)薄弱部位；合理控制鋼筋的錨固長(zhǎng)度，尤其是鋼筋的直線段錨固長(zhǎng)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(duì)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(yàn)算等等都需要概念設(shè)計(jì)作指導(dǎo)。加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)具體要求如下：
　?、僭诳拐鹪O(shè)計(jì)中要有意識(shí)、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(qiáng)烈地震作用下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，構(gòu)件的實(shí)際承載力分析(而不是承載力設(shè)計(jì)值的分析)是判斷薄弱層的基礎(chǔ)；③要使樓層(部位)的實(shí)際承載力和設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性受力之比在總體上保持一個(gè)相對(duì)較為均勻的變化，一旦樓層(部位)比例出現(xiàn)突變時(shí)，會(huì)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(qiáng)而忽視整個(gè)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(jì)
　　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(jì)使用功能有特殊要求的建筑，耗能元件及其體系可錯(cuò)開地震動(dòng)卓越周期，從而防止共振破壞，減輕地震振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生較輕微運(yùn)動(dòng)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(dòng)能和變形能承擔(dān)，以此達(dá)到減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。
　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)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(jì)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(yàn)得到驗(yàn)證。同時(shí)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(jì)方法的研究與進(jìn)展，尤其是各國(guó)歷次大地震對(duì)人類造成的嚴(yán)重災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，使世界各國(guó)地震工程學(xué)者及抗震設(shè)計(jì)人員逐步取得了較為一致的認(rèn)識(shí)，經(jīng)濟(jì)與安全的關(guān)系，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要技術(shù)政策。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，如何從我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及國(guó)際高層建筑抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)出發(fā)，探求一種實(shí)用可行的合理抗震設(shè)計(jì)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(xiàn)
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