龍輝

（銅仁市建筑勘察設(shè)計(jì)院 貴州銅仁 554300）

淺議高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍輝

（銅仁市建筑勘察設(shè)計(jì)院 貴州銅仁 554300）

近年來，我國地震多發(fā)，房屋抗震設(shè)計(jì)引起了建筑業(yè)的關(guān)注。房屋建筑要按照我國抗震的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)施工，從而實(shí)現(xiàn)“小震震不壞、中震亦可修、大震震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文簡要議論了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系以及抗震性能等問題，以完善高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

高層建筑；混凝土；抗震；設(shè)計(jì)

引言

地震這一自然災(zāi)害是在人類生活中不可避免的，在地震傷亡人數(shù)中，房屋質(zhì)量和抗震性能是重要的影響因素。在社會經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展的今天，地震的災(zāi)害性提醒著人們，面對人口稠密、高層住宅小區(qū)日益增多的現(xiàn)代化大城市.其災(zāi)害性后果是不堪設(shè)想的，因而需要高度的重視。對于高層混凝土建筑，更要嚴(yán)抓其抗震能力檢測評估，重視抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于建筑規(guī)模大，成本高。一般來說，高層建筑的質(zhì)量決取決于施工材料、施工技術(shù)和施工周期。而從建筑結(jié)構(gòu)上來說，其所產(chǎn)生的軸向力與建筑物的高度大致上屬于線性關(guān)系，水平荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彎矩。從側(cè)移的特性上來說，豎向荷載所引起側(cè)移通常較小，當(dāng)水平荷載均勻分布時，側(cè)移和高度的關(guān)系呈四次方變化。由此可以見，在高層的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，水平荷載對于結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出垂直荷載。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

想要最大程度強(qiáng)化高層混凝土建筑抗震效果，使其在地震程度較弱時，中等地震時，以及地震劇烈時，建筑都能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，不會引發(fā)傾倒。這就對設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需結(jié)合實(shí)踐全盤考慮，以剛?cè)峤Y(jié)合為原則，以及各作用力的科學(xué)合理分布，依照現(xiàn)場情況進(jìn)行具體規(guī)劃，遵循“強(qiáng)剪弱彎”的原則起草建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證建筑的整體穩(wěn)定性。

（1）在設(shè)計(jì)高層混凝土建筑時，必須掌握好結(jié)構(gòu)剛度值，剛度值的強(qiáng)弱需要通過精準(zhǔn)的計(jì)算與分析，以及對地質(zhì)地組成和實(shí)地情況、選料性能、機(jī)械設(shè)備工作參數(shù)、物理力學(xué)等相關(guān)內(nèi)容的全方位的了解來獲得。這些數(shù)據(jù)將被用來作為最終高層結(jié)構(gòu)整體剛度和核心受力部分剛度設(shè)定的依據(jù)，在充分發(fā)揮連接設(shè)置調(diào)節(jié)作用的時候，對其抗震效果進(jìn)行提高，并在經(jīng)過修繕之后，仍可繼續(xù)使用而不改變其使用價值。

（2）在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時，設(shè)計(jì)者的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在核心構(gòu)件和連接點(diǎn)的受力情況方面，運(yùn)用合理有效的處理措施優(yōu)化其調(diào)整效果，使其達(dá)到防災(zāi)減震的目的，最大限度降低地震所帶來的損失。參考與地震相關(guān)的統(tǒng)計(jì)，分析后發(fā)現(xiàn)使用剛度過于柔和的高層混凝土建筑遭受強(qiáng)烈地震沖擊后，主體結(jié)構(gòu)大都會出現(xiàn)不同程度的損傷與破壞，在余震作用下，受到了連續(xù)的破壞后甚至?xí)?dǎo)致坍塌。這就要求在對高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，不單要具備一定的剛度，還要能改善延展性特點(diǎn)，保證整體架構(gòu)的抗震能力。

3 混凝土結(jié)構(gòu)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效措施

3.1 混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

在混凝土結(jié)構(gòu)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要滿足兩個方面的需求：

（1）剛度需求。設(shè)計(jì)人員必須明確建筑施工現(xiàn)場的地形地貌、建材特性等，對建筑整體結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時以建筑結(jié)構(gòu)的連接設(shè)置為輔助，對其進(jìn)行一定的調(diào)整，提升建筑的抗震性能。

（2）受力需求。根據(jù)地震災(zāi)害數(shù)據(jù)顯示，如果混凝土建筑剛度比較柔軟，則其在地震作用下，主體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至可能導(dǎo)致崩塌。因此，應(yīng)該充分考慮建筑結(jié)構(gòu)中連接點(diǎn)和構(gòu)建的受力需求，采取合理有效的措施，進(jìn)行相應(yīng)的減震消災(zāi)。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本方法

（1）減少地震的能量輸入。積極地采用以位移為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)，定量的分析也非常重要，使得結(jié)構(gòu)變形的能力可以滿足地震下變形的要求。高層建筑要注意選取厚實(shí)的場地來建造高層的建筑，這樣可以很好的減少地震的能量輸入，達(dá)到減輕破壞的目的。

（2）防范地震周期。為了防止共振造成的破壞，可以積極地推廣隔震與減震的設(shè)計(jì)，防范地震周期。當(dāng)下普遍所采用的都是傳統(tǒng)型的抗震體系，也就是“延性結(jié)構(gòu)體系”?；炷两Y(jié)構(gòu)其延性的表達(dá)如圖1所示，結(jié)構(gòu)或材料上的力與變形關(guān)系以F-D表示。適當(dāng)?shù)恼莆蘸媒Y(jié)構(gòu)物剛度，具備適宜的非彈性狀態(tài)和良好的延性，達(dá)到消耗地震能量、減輕地震反應(yīng)的目的，使的結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)延性

（3）提高結(jié)構(gòu)阻尼，運(yùn)用高延性構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)耗能，減輕地震影響，減小樓層的地震剪力。在高層建筑設(shè)計(jì)時，其結(jié)構(gòu)材料的選擇也很重要，應(yīng)先測量抗材料的抗震能力，綜合考慮材料參數(shù)的變化、地震烈度以及認(rèn)識材料的模糊性等。

3.3 混凝土抗震結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，混凝土結(jié)構(gòu)建筑的抗震結(jié)構(gòu)包括抗震層、防震縫和抗震支座等，下面分別對其設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要分析。

3.3.1 抗震層

抗震層一般位于建筑基礎(chǔ)的頂部，是最為基本的抗震構(gòu)造形式，能夠最大限度隔離地震能量，從而保證建筑使用安全。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證安裝和維護(hù)的便利性，需要在抗震層頂部梁底與基礎(chǔ)面之間留出0.8m以上的空間。從建筑功能方面分析，為了對抗震層頂部的樓板進(jìn)行有效利用，可以在地下室柱頂或者墻頂設(shè)置抗震層。同時，為了改善構(gòu)件的受力情況，當(dāng)水平剪力較大時，可以在柱體中設(shè)置相應(yīng)的減震器，將抗震層的剪力和彎矩分別傳遞到柱或者墻的上下端。

3.3.2 防震縫

防震縫是指為了防止地震對于建筑的破壞，在適當(dāng)位置設(shè)置的縫隙，可以將建筑分為若干形體簡單、結(jié)構(gòu)剛度均勻的獨(dú)立部分。防震縫處在地震中發(fā)生碰撞如圖2所示。

圖2 防震縫處碰撞示意圖

防震縫是在相鄰結(jié)構(gòu)單元之間預(yù)先設(shè)置的間隙，目的是為了減輕或者防止在地震作用下的相互碰撞。通過設(shè)置防震縫，可以對復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，形成相對規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，從而減少建筑的扭轉(zhuǎn)、改善結(jié)構(gòu)抗震性能。

在設(shè)計(jì)防震縫時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，保證其寬度的合理性。很多時候一味按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)，在強(qiáng)烈地震作用下仍然可能發(fā)生碰撞；如果防震縫寬度過大，則會影響建筑立面設(shè)計(jì)。對于體形相對規(guī)則的混凝土結(jié)構(gòu)建筑，可以不設(shè)置防震縫，而如果建筑的結(jié)構(gòu)非常不規(guī)則，而且建筑場地并沒有限制，則應(yīng)該設(shè)置防震縫，同時防震縫的寬度應(yīng)該能夠滿足抗震支座在遭遇強(qiáng)烈地震時的位移要求，并考慮建筑與周圍構(gòu)造物之間可能出現(xiàn)的相對運(yùn)動。

3.3.3 抗震支座

抗震支座多用于地震影響比較大的部分或者伸縮梁較大，需要通過滑動釋放內(nèi)應(yīng)力的部分。一般來說，要想保證對地震作用的有效隔離，抗震支座必須具備幾個方面的性能：①應(yīng)該能夠承擔(dān)上部建筑的荷載，同時變形較小，具備良好的豎向剛度和豎向承載力；②在水平方向上必須具備較小的水平剛度，以延長結(jié)構(gòu)的自振周期，減少上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)及下部結(jié)構(gòu)的層間剪力；③必須有適當(dāng)?shù)淖枘?，以限制結(jié)構(gòu)位移；④抗震支架的使用壽命不能少于建筑結(jié)構(gòu)的使用年限。對于建筑設(shè)計(jì)人員而言，不僅需要熟悉抗震支座的各項(xiàng)性能，而且還應(yīng)該熟練掌握其實(shí)驗(yàn)方法，以保證抗震支座的耐久性和相關(guān)力學(xué)性能。

3.4 抗震支座設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在對抗震支座進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇時，通常需要注意以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）地震波設(shè)計(jì)是指通過人工地震波的方式，對抗震支座的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。假定地震震級為8級，震中距50km，則在彈性分析時，輸入速度為25cm/s，在彈塑性分析時，輸入速度為50cm/s。

（2）抗震裝置計(jì)算：在輸入地震波對抗震裝置的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時，去大震時固有周期目標(biāo)值為3s，等效粘性阻尼比的目標(biāo)值為10%。

（3）上部結(jié)構(gòu)截面計(jì)算：采用基于長期應(yīng)力和一次設(shè)計(jì)用剪力的地震應(yīng)力，對上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)步性容許應(yīng)力設(shè)計(jì)。此時，以一次設(shè)計(jì)用建立超過輸入25cm/s的地震反應(yīng)建立；當(dāng)輸入波為50cm/s時，以上部結(jié)構(gòu)基本上不屈服為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：對應(yīng)地震動為25cm/s和50cm/s的地震反應(yīng)分析，對于抗震支座最大位移量的確定方法為：取疊合橡膠墊的容許水平位移37.5mm的1/1.5為輸入波水平達(dá)50cm/s時的最大位移，再取此值的1/1.5為輸入水平達(dá)25cm/s時的最大值。

4 結(jié)語

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動下，我國高層建筑不斷涌現(xiàn)，對于建筑的穩(wěn)定性和安全性也提出了更高的要求。在混凝土結(jié)構(gòu)建筑中，做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，直接影響著建筑整體的穩(wěn)定和安全。結(jié)合近年來地震給人們所帶來的災(zāi)害，高層建筑在結(jié)構(gòu)體系的選擇、設(shè)計(jì)的方法以抗震的性能等諸多的設(shè)計(jì)都給抗震事業(yè)帶來了積極的影響，對于建筑的完善起到了很大的作用。

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1673-0038（2015）45-0095-02

收稿日期：2015-10-14