高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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0引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口的增加，高層建筑逐漸成為了建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。而在高層建筑的發(fā)展過(guò)程中，高層建筑的安全問(wèn)題也逐漸凸顯了出來(lái)，如何提高高層混凝土建筑的抗震性能成為建筑行業(yè)需著重考慮的問(wèn)題。但在提高高層混凝土建筑抗震性能時(shí)應(yīng)首先明確高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，才能抓住抗震設(shè)計(jì)的核心，提高高層混凝土建筑的抗震性能。

1高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

高層混凝土建筑在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證建筑在遭受強(qiáng)震的過(guò)程中不倒，在中等地震中經(jīng)過(guò)維護(hù)還能繼續(xù)使用，在輕微的地震中保持穩(wěn)固，將損壞降低到最小。高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)做到剛?cè)岵⑦M(jìn)，綜合考慮建筑的受力情況，做好強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)，并根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，保證高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

1．1綜合性要求

在對(duì)高層混凝土建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意建筑的剛度設(shè)計(jì)要求，利用物理學(xué)中的力學(xué)知識(shí)合理判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的力學(xué)特點(diǎn)，了解機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行、建筑材料的要求以及具體的施工場(chǎng)地。根據(jù)這些因素確定混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剛度值，充分考慮各部分的建筑結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況予以不斷調(diào)整，逐漸提高高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能，使抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠抵抗強(qiáng)等級(jí)的地震，即使建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生輕微變形的情況下，建筑也能通過(guò)自我的調(diào)整，保證建筑的安全性［1］。

1．2具體要求

高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要充分考慮各方面的因素，尤其應(yīng)著重考慮關(guān)鍵部分的連接點(diǎn)作用與不同構(gòu)件的受力情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)要求，保證各連接點(diǎn)與構(gòu)件在地震中能發(fā)揮其作用。而在剛度方面，應(yīng)注意剛度值的具體要求，若高層混凝土建筑的剛度值過(guò)低，建筑在強(qiáng)震中會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，直接損壞建筑的主體結(jié)構(gòu)，而在地震過(guò)后余震的作用下，建筑很可能會(huì)直接倒塌。除了混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剛度值問(wèn)題，建筑的延展性也應(yīng)引起重視，保障建筑的強(qiáng)度與剛度在合理的范圍內(nèi)，促進(jìn)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效用的發(fā)揮。

2地震發(fā)生過(guò)程中高層混凝土建筑的破壞特點(diǎn)

2．1地基破壞特點(diǎn)

高層混凝土建筑在地震發(fā)生過(guò)程中，若地基的土層較軟弱，地基會(huì)因土體的液化而發(fā)生沉降，進(jìn)而破壞地基，造成建筑上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，最終使得建筑在地震作用下發(fā)生坍塌;除此之外，高層建筑若在一些危險(xiǎn)地帶修建，尤其是在一些泥石流、滑坡等多發(fā)地段，在地震發(fā)生時(shí)，危險(xiǎn)地帶在地震的作用力下會(huì)產(chǎn)生二次性傷害，導(dǎo)致建筑的基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，引發(fā)建筑裂縫的產(chǎn)生，并在共振效應(yīng)下，損壞建筑的上部結(jié)構(gòu)，引發(fā)無(wú)可挽回的結(jié)果。

2．2結(jié)構(gòu)體系破壞特點(diǎn)

高層混凝土建筑為框架填充墻結(jié)構(gòu)時(shí)，在地震的作用力下，建筑整個(gè)平面中的內(nèi)框架柱上部容易引發(fā)剪切型的破壞，窗洞會(huì)因窗下墻的作用引發(fā)短柱性的損壞。但建筑若為框架剪力墻結(jié)構(gòu)則不易遭受嚴(yán)重的破壞。而在底框結(jié)構(gòu)中，由于底層的剛度較低，在地震的影響才會(huì)遭受嚴(yán)重的破壞，并且使用的若是框架填充墻結(jié)構(gòu)，底層的框架為敞開(kāi)式的，在沒(méi)砌墻時(shí)剛度也較低，也易遭受嚴(yán)重的破壞。

2．3剛度破壞特點(diǎn)

高層混凝土建筑的主體結(jié)構(gòu)一般使用的是矩形平面結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生地震，建筑內(nèi)的電梯井會(huì)產(chǎn)生偏心作用，因此在強(qiáng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)下會(huì)加重地震的作用力，加重破壞程度。而對(duì)于一些不對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)中，地震產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成建筑的損毀。

2．4構(gòu)件破壞特點(diǎn)

不同的構(gòu)件有不同的抗震性能。在高層混凝土建筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，板與梁更容易遭受破壞，而剪力墻的窗臺(tái)下部位置也容易產(chǎn)生交叉裂縫;但框架柱由于設(shè)置了螺旋箍筋，加大了層間的位移角，因此，在地震作用下不易遭受破壞。

3加強(qiáng)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

3．1做好建筑主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

建筑主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提高的最基本問(wèn)題，因此應(yīng)重視建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意將結(jié)構(gòu)相同的單元設(shè)置在地基性一致的地面上，并保持結(jié)構(gòu)一致，對(duì)于地基位置上較軟弱的土層應(yīng)進(jìn)行處理，以免承載力的不同引發(fā)地基沉降，并運(yùn)用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄔ黾拥鼗A(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度，加強(qiáng)基礎(chǔ)承載力的同時(shí)，使承載力保持在一致的水平上。并且應(yīng)注重底框的運(yùn)用，因?yàn)榈卓螂m然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，運(yùn)用用途廣，但結(jié)構(gòu)體系分布不均勻，易引發(fā)結(jié)構(gòu)的不均勻變形，甚至在嚴(yán)重的地震作用下，造成建筑部分開(kāi)裂。因此，在使用底框時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)增加一些措施以使底框能保持較均勻的剛度，避免不均勻造成變形的出現(xiàn)。

3．2增加抗震防線的設(shè)計(jì)

高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)并不是由某一部分構(gòu)成的而是由不同的延性分體組成的，并且不同的延性分體并不是單獨(dú)的工作，例如框剪結(jié)構(gòu)是由剪力墻和框架分體組合而成的多肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在通力合作下能在余震過(guò)程中發(fā)生作用，增加建筑的抗震性能。而增加抗震防線的重要性在于即使一道防線破壞，另一道防線也會(huì)繼續(xù)發(fā)生作用，減輕地震對(duì)建筑的破壞。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)建立一個(gè)由多構(gòu)件組合而成的抗震防線體系，保證同一平面內(nèi)的主要構(gòu)件屈服，其他的抗側(cè)力部件能在發(fā)生彈性時(shí)，延長(zhǎng)主體結(jié)構(gòu)屈服的力度與時(shí)間，保證主體結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的延性以及抗側(cè)移性。此外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，若有的構(gòu)件出現(xiàn)抗側(cè)移值過(guò)大的狀況，減弱了其他構(gòu)件的強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)構(gòu)件的抗側(cè)移能力，在設(shè)計(jì)中注意多重抗震防線的設(shè)計(jì)［3］。

3．3綜合多種抗震計(jì)算方法

在對(duì)高層混凝土建筑抗震計(jì)算中，位移計(jì)算的正確性不容忽視，并且應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析，控制主體結(jié)構(gòu)的變形量，保證在中、低地震等級(jí)中，建筑的主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變形。在計(jì)算主體結(jié)構(gòu)的承載力過(guò)程中，應(yīng)對(duì)高烈度地震中結(jié)構(gòu)的層間位移以及延性位移進(jìn)行實(shí)時(shí)性的計(jì)算，具體算出建筑構(gòu)件位移與結(jié)構(gòu)變形間的關(guān)系，得出建筑主要構(gòu)建的變形值，并對(duì)建筑截面的應(yīng)變情況予以分析，計(jì)算得出構(gòu)建的合理構(gòu)造值，最大限度的降低主體構(gòu)件在地震發(fā)生中的破壞程度。

3．4抗震的加固設(shè)計(jì)

在高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因主要構(gòu)件應(yīng)滿足一定的延性要求，在樓層較高時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)軸壓比以增強(qiáng)構(gòu)件的延性，但軸壓比又不應(yīng)過(guò)小，否則會(huì)造成結(jié)構(gòu)短柱，延性也會(huì)受到影響，在高強(qiáng)度的地震作用下，造成建筑的坍塌，因而應(yīng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。首先，在地震的加固設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇螺旋復(fù)合箍筋，因?yàn)槁菪龔?fù)合箍筋能有效地提高建筑中柱子的抗沖擊力，從而提高短柱的抗震能力。其次，框架柱的抗剪能力應(yīng)與強(qiáng)剪弱彎以及剪壓比相對(duì)應(yīng)，并且柱子頂端的抗彎能力應(yīng)在強(qiáng)柱弱梁值的范圍內(nèi)，使短柱在強(qiáng)柱弱梁或強(qiáng)剪弱彎時(shí)也不會(huì)破壞剪切性，增加建筑的抗震力度。最后，因?yàn)槎讨目辜粜暂^弱，在地震中常出現(xiàn)在抗彎能力還沒(méi)起作用時(shí)已發(fā)生了剪性破壞，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)減少短柱的抗彎能力，使其與抗剪力保持平衡，在地震發(fā)生時(shí)滿足短柱的抗彎屈服。但為了減弱短柱的抗彎強(qiáng)度，將柱子沿豎向設(shè)縫的情況，將其劃分成多個(gè)分體柱，并利用通縫或分隔板等連接鍵，增加建筑構(gòu)件的抗震性能，促進(jìn)建筑的抗震加固設(shè)計(jì)。

4結(jié)語(yǔ)

高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性是不言而喻的，只有明確抗震設(shè)計(jì)的要求并根據(jù)具體建筑結(jié)構(gòu)的抗震特點(diǎn)，才能在設(shè)計(jì)的過(guò)程中結(jié)合建筑各體系的破壞特點(diǎn)，有針對(duì)性地提高高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕地震對(duì)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的破壞，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

作者：李璐 單位：太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院