高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念的應(yīng)用

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摘要：基于抗震概念設(shè)計理念，開展高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠增強高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。應(yīng)用抗震概念設(shè)計，通過合理選擇建筑場地，科學(xué)布置建筑總體，優(yōu)選建筑結(jié)構(gòu)體系，按照建筑抗震等級規(guī)范要求，合理設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，以確保建筑性能，提高建筑的抗震性。貴州地區(qū)處于地震頻發(fā)帶，對建筑的抗震性能要求較高，因此加強此課題的研究，有著必要性。

關(guān)鍵詞：抗震概念設(shè)計;建筑結(jié)構(gòu);工程設(shè)計;抗震性

對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，要遵守抗震設(shè)計規(guī)范，從抗震概念設(shè)計應(yīng)用入手，結(jié)合工程實際情況，提出定量控制要求。值得注意的是，開展高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，要在概念清晰且技術(shù)可靠的基礎(chǔ)上，合理的設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，以確保建筑的抗震性能。通常情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，需要從概念設(shè)計、抗震計算、抗震措施等方面加以把控，以確保設(shè)計的合理性。

1高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計的意義

貴州省位于我國南北地震帶南段的東側(cè)，省內(nèi)西部部分區(qū)域位于地震帶上。貴州地震的頻度與強度為中等水平，地震平面分布不均。若發(fā)生地震，會造成極大的損失，以尼泊爾大地震為例，涉及到多個多家，地震造成近4000人死亡，約7000人受傷，對尼泊爾國造成超過50億美元的經(jīng)濟(jì)損失，由此可見地震的損失性。在地震中，建筑既是人們的保護(hù)工具，也是威脅人們安全的物體，若能夠提升建筑的抗震性，對保護(hù)人們的財產(chǎn)與安全，有著積極的作用，因此加強高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計研究，有著必要性。

2抗震概念設(shè)計應(yīng)用的基本要點

2.1合理選擇建筑結(jié)構(gòu)

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計，最為重要的是建筑體形和結(jié)構(gòu)設(shè)計，占據(jù)著重要地位，多數(shù)倒塌建筑主要是因為規(guī)劃不合理造成的，所以要科學(xué)的選擇水平面與垂直面，提升建筑的抗震性能。一般來說，建筑平面形狀規(guī)則，直接影響著建筑的抗震性，平面形狀平整度越高，則建筑的抗震性能就越強，圖1為水平地震作用。規(guī)則平面能夠承擔(dān)荷載作用，建筑結(jié)構(gòu)的整體性較為突出。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，于高度方向，需要保證結(jié)構(gòu)布置的連續(xù)性，實現(xiàn)側(cè)向剛度保持連續(xù)，以免出現(xiàn)薄弱層。

2.2合理選擇傳力路線

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計多利用計算機程序，來確保計算的準(zhǔn)確性，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員只需要掌握簡單的計算方法即可。利用計算機，在獲取受力狀態(tài)下，形成建筑結(jié)構(gòu)件計算簡圖。接著利用力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，從地震反應(yīng)入手，做好詳細(xì)的分析，明確計算結(jié)果，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)路徑，提高傳力路線選擇的效率。

2.3合理選擇建筑位置

通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，建筑物損毀與建筑所處的地形，有著直接的關(guān)系。除此之外，建筑損壞和地基、斷層等，也有著緊密關(guān)系。以覆蓋土因素為例，建筑破壞率和此因素呈現(xiàn)的是正相關(guān)，覆蓋土層厚度小，證明土質(zhì)偏硬，具有較強的穩(wěn)定性，當(dāng)遇到地震時，不易發(fā)生倒塌情況，因此在設(shè)計高層建筑時，要選擇硬質(zhì)地基，降低地震效應(yīng)，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。

2.4設(shè)置多條抗震防線

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，需要設(shè)置多條抗震防線。考慮到地震時間存在差異，伴隨多次余震，受到地震反復(fù)沖擊，會給建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成損壞，若高層建筑物設(shè)置一道防線，當(dāng)建筑受到一次破壞后，難以抗衡后續(xù)破壞，因此需要設(shè)置多道保護(hù)，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3抗震概念設(shè)計在高層建筑抗震設(shè)計中的具體應(yīng)用

3.1提升結(jié)構(gòu)延性

高層建筑抗震設(shè)計水平低于地震等級，極易因為脆性破壞，造成建筑倒塌，所以在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，要提高結(jié)構(gòu)延性，增強建筑結(jié)構(gòu)抵抗能力。可以從以下方面入手：①材料。選擇延性材料，此類材料的應(yīng)用，當(dāng)發(fā)生非彈性變形，或者發(fā)生反復(fù)彈性變形時，其延性不會明顯下降。②桿件。通過控制桿件的延性，包括塑性變形與能量收納與耗散等，提高結(jié)構(gòu)延性，通常從墻肢與框架的柱等方面捂手。③構(gòu)件。構(gòu)件的延性指的是某個構(gòu)件的塑性變形與能量消耗的能力，通過控制墻體或者框架延性，來提高建筑結(jié)構(gòu)整體延性。總得來說，建筑結(jié)構(gòu)延性指的是抗倒塌能力與塑性變形能力。在設(shè)計時，可以采取以下措施：①在平面上，增強突變處與轉(zhuǎn)角處等構(gòu)件的延性；②對于豎向，則可以加強薄弱樓層的延性，比如體型突變處、主樓與裙房相接的樓層等；③增強首道抗震防線部分的構(gòu)件延性[2]。

3.2提升結(jié)構(gòu)的整體性

高層建筑結(jié)構(gòu)的整體性較強，能夠確保建筑結(jié)構(gòu)在地震力的作用下，處于協(xié)調(diào)運行的狀態(tài)，可避免建筑倒塌。采取以下措施：①選用鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)作為建筑行業(yè)的新技術(shù)，其市場份額不斷擴大，貴州地區(qū)已經(jīng)逐步引入鋼結(jié)構(gòu)，比如貴州鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展中心樓，樓層高24層，建筑面積為26000m2，建筑承板使用的是鋼筋線桁架工藝，建筑整體性較好，抗震性能較好。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采取鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，對提升高層建筑框架結(jié)構(gòu)中的側(cè)向剛度，有著積極的影響，可以抵抗水平荷載，提升高層建筑整體強度。與純框架架構(gòu)相比，支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，將窗臺下方-下層窗戶頂部區(qū)域位置，作為支撐位置，合理設(shè)置支撐，能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)支撐要求。采取環(huán)向封閉同一平面，能夠提高建筑鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，在強震區(qū)應(yīng)用，其效果更為凸顯。②抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。若高層建筑結(jié)構(gòu)為多種框架結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，可以承載建筑物豎向負(fù)載與部分橫向負(fù)載。采用抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，可以按照建筑的各類要求，來選用抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。若高層建筑中桁架高度和單樓層相同，可以利用交錯桁結(jié)構(gòu)，來設(shè)置上下樓層，確保各單元設(shè)置的靈活性。應(yīng)用此結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，梁柱彎矩較小，側(cè)向位移也較小。

3.3準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)抗震

開展高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計前，需要準(zhǔn)確的計算建筑結(jié)構(gòu)的地震作用，接著計算結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的地震作用效應(yīng)，并且和其它載荷效應(yīng)，做好相互結(jié)合，檢驗建筑結(jié)構(gòu)抗震承載力與變形，確保能夠達(dá)到新《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）規(guī)范相關(guān)要求。需要做好以下計算：①地震作用計算。建筑結(jié)構(gòu)抗震承載力主要考慮水平地震作用，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，還需要注意豎向地震作用。②抗震驗算。主要包括截面抗震驗算、彈性變形驗算、薄弱層彈塑性變形驗算等[3]。

3.4做好非結(jié)構(gòu)部件設(shè)計

非結(jié)構(gòu)部件指的是建筑結(jié)構(gòu)分析中，不考慮側(cè)向荷載與重力荷載的建筑部件，包括內(nèi)隔墻與外圍墻等。雖然建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，此類部件不參與荷載分析，但若發(fā)生地震，此類部件會起到作用，極有可能會改便建筑結(jié)構(gòu)承載力，或是提升建筑抗震性，或是增加破壞性，因此需要做好非結(jié)構(gòu)部件的處理。可以采取以下措施：①加強建筑框架和填充墻之間的聯(lián)系，使得填充墻可以成為建筑主體抗震結(jié)構(gòu)的組成部分。對于墻體連接，可以采取柔性連接方式，削弱墻柱的聯(lián)系，避免發(fā)生嵌固作用。②對于附著在建筑樓與屋面結(jié)構(gòu)的，需要做好此類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)的連接處理，以免發(fā)生地震時，造成人員傷亡。③加強幕墻和裝飾貼面等和建筑主體結(jié)構(gòu)的有效連接，避免貼面損壞。

3.5做好倒塌分析

開展高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采取倒塌分析法，做好建筑倒塌分析，以優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)抗?fàn)幮栽O(shè)計，達(dá)到抗震標(biāo)準(zhǔn)。可以借鑒超高層建筑經(jīng)驗，譬如：某超高層建筑為Ⅷ度抗震設(shè)防烈度建筑，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用倒塌分析法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析，發(fā)現(xiàn)采取內(nèi)嵌鋼支撐剪力墻方案，能夠有效的增強建筑結(jié)構(gòu)強度。基于倒塌分析，明確此工程采取全支撐方案建設(shè)總材料用量可節(jié)約11.2%，建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌儲備能力可以增加14.8%，建筑的抗震性能較好。采取對比各種最小地震剪力系數(shù)調(diào)整方案，能夠明確采取調(diào)整地震剪力，開展剛度驗算，設(shè)計建筑構(gòu)件承載力，能夠獲得較好的效果，此方案和提高剛度縮短建筑結(jié)構(gòu)自振周期的方案相比，具有較強的經(jīng)濟(jì)性。對于建筑結(jié)構(gòu)倒塌關(guān)鍵位置，能夠提高建筑結(jié)構(gòu)整體的抗倒塌能力，此方案的實施，增加鋼用量約0.1%。總而言之，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，做好倒塌分析，能夠準(zhǔn)確衡量各類結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的效果，明確各類抗震措施對建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，發(fā)揮著積極的作用[4]。

4結(jié)束語

應(yīng)用概念設(shè)計，開展高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，需要充分的借鑒工程經(jīng)驗，嚴(yán)格按照建筑抗震設(shè)計相關(guān)規(guī)范，采取相應(yīng)的措施，提升建筑結(jié)構(gòu)的整體性能，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

參考文獻(xiàn)

[1]陸新征，楊蔚彪，盧嘯，齊五輝，劉斌，張萬開，葉列平.倒塌分析在某500m級超高層建筑抗震設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015（23）：91~97.

[2]劉均偉.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念設(shè)計的運用研究[J].山西建筑，2016（20）：43~44.

[3]雷雨潤.高層建筑結(jié)構(gòu)中抗震概念設(shè)計的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2017（08）：80.

[4]王鴻飛.淺析抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2016（44）：72~73.

作者:馮光永 單位:貴陽市建筑設(shè)計院有限公司