工業(yè)設(shè)計構(gòu)思高層建筑抗震設(shè)計 推薦本站優(yōu)秀建筑設(shè)計雜志：《工業(yè)設(shè)計》雜志是目前國內(nèi)唯一專業(yè)報道工業(yè)設(shè)計的綜合性期刊。《工業(yè)設(shè)計》雜志為月刊，國內(nèi)外公開發(fā)行，內(nèi)頁128P國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN23-1516/T，國際標準刊號：ISSN1672-7053，全彩精印。

　　摘要：高層建筑抗震工作一直是建筑設(shè)計和施工的重點，概述高層建筑的發(fā)展，對建筑抗震進行必要的理論分析，從而來探索高層建筑的設(shè)計理念、方法，從而采取必須的抗震措施。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發(fā)生，筆者認為，首先要正確判定短柱，然后對短柱采取一些構(gòu)造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計,高層建筑,抗震,設(shè)計

　　1、高層建筑抗震設(shè)計特點

　　1.1控制建筑物的側(cè)移是重要的指標。高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵決定因素。在地震作用下,建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力,使建筑物產(chǎn)生明顯的側(cè)移,隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的不斷增加,結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移快速增大,結(jié)構(gòu)的變形也隨之增大，側(cè)向位移過大將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，附加偏心力超過一定限值時，將會引取整個結(jié)構(gòu)的倒塌，因此必須將側(cè)移限制在一定的范圍之內(nèi),也就是結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的強度、剛度、穩(wěn)定性，這樣才能保證結(jié)構(gòu)安全以及使用功能。

　　1.2地震作用中產(chǎn)生的水平力是關(guān)鍵因素。水平力會使建筑物產(chǎn)生傾覆力矩,并且在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件中引起很大的軸力。如果把建筑物看作一簡單的豎向懸臂構(gòu)件，構(gòu)件中由豎向荷載產(chǎn)生的軸力與高度成正比;水平力作用產(chǎn)生的彎矩與高度的平方成正比;水平作用力產(chǎn)生的側(cè)向位移與高度四次方成正比;對高度一定的建筑物而言,豎向荷載基本上是不變的,而水平方向上地震作用的數(shù)值大小往往會隨著高層建筑結(jié)構(gòu)動力特性不同而存在較大幅度的變化。

　　1.3要重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計。高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加,顯得更柔,在地震作用下變形較大。這就要求結(jié)構(gòu)要有足夠的變形能力,設(shè)計應(yīng)遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點、強底層柱(墻)”的設(shè)計原則，盡可能設(shè)置多道抗震防線，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)?shù)膭偠�，使結(jié)構(gòu)能吸收和消耗大量的地震能量，適當(dāng)處理構(gòu)件的強弱關(guān)系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，應(yīng)避免部份構(gòu)件超強設(shè)計，造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對博弱。要有目的、有意識的控制博弱部位，使之有足構(gòu)的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取有利的加強措施,使得建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

　　2、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

　　2.1 框架—剪力墻體系

　　當(dāng)框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架—剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力�？蚣�—剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架—剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

　　2.2 剪力墻體系

　　當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于框架或框架—剪力墻體系。

　　2.3 簡體體系

　　凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，包括單簡體、簡體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強，多應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

　　3、高層建筑抗震設(shè)計常見的問題

　　3.1缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。有的在擴初設(shè)計階段還缺建筑場地巖土工程的勘察資料，有的在擴初設(shè)計會審之后就直接進入了施工圖設(shè)計，有的在規(guī)劃設(shè)計或方案設(shè)計會審后就直接進入了施工圖設(shè)計。無巖土工程勘察資料，設(shè)計缺少了必要的依據(jù)。

　　3.2結(jié)構(gòu)的平面布置。外形不規(guī)則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質(zhì)心偏心大，同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。

　　3.3抗震設(shè)防標準掌握不當(dāng)。有一些項目擅自提高了設(shè)防標準，按照《建筑抗震設(shè)防分類標準(GB 50223-2008)》劃分應(yīng)屬六度設(shè)防的，但設(shè)計中提高了一度按七度設(shè)防，提高了建筑抗震設(shè)防標準，將會增加工程投資;有的項目嚴格應(yīng)按七度采取抗震措施的，但設(shè)計中又按六度設(shè)防，減低了抗震設(shè)防標準，不利抗震。

　　3.4平面布局的剛度不均。抗震設(shè)計要求建筑的平、立面布置宜規(guī)正、對稱，建筑的質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻，否則應(yīng)考慮其不利影響。但有的平面設(shè)計存在嚴重的不對稱：一邊進深大，一邊進深小;一邊設(shè)計大開間，一邊為小房間;一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。平面形狀采用L、π形不規(guī)則平面等，造成了縱向剛度不均，而底層作為汽車庫的住宅，一側(cè)為進出車需要，取消全部外縱墻，另一側(cè)不需進出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均。這些都對抗震極為不利。

　　3.5框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻抗震構(gòu)造措施不到位。砌體外圍護墻砌筑在框架柱外又沒有設(shè)置抗震構(gòu)造柱，框架間砌體填充墻高度長度超過規(guī)范規(guī)定要求又沒有采取相應(yīng)構(gòu)造措施。

　　3.6結(jié)構(gòu)抗震等級掌握不準。有的提高了，而有的又降低了，主要是對場地土類型、結(jié)構(gòu)類型、建筑高度、設(shè)防烈度等因素綜合評定不準造成。

　　4、短柱的正確判定

　　柱凈高H與截面高度h之比H/h≤4為短柱，工程界許多工程技術(shù)人員也都據(jù)此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4來判定的主要依據(jù)是：①λ=M/Vh≤2;②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取M=0.5VH，則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點，此時不宜按H/h≤4來判定短柱，而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義——剪跨比λ=M/Vh≤2來判定才是正確的。

　　框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此時，應(yīng)采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢?筆者認為，應(yīng)該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值，即取λ=max(λt，λb)。一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即Mb>Mt。

　　在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導(dǎo)致柱截面增大，且軸壓比越小截面越大;而截面增大導(dǎo)致剪跨比減小，又降低了構(gòu)件的延性。因此，在高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為滿足規(guī)程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。

　　5、改善短柱抗震性能的措施

　　5.1 使用復(fù)合螺旋箍筋 高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。因此，使用復(fù)合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力，改善對砼的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

　　5.2 采用分體柱 由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應(yīng)于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

　　5.3 采用鋼管砼柱 鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料，是套箍砼的一種特殊形式。由于鋼管內(nèi)的砼受到鋼管的側(cè)向約束，使得砼處于三向受壓狀態(tài)，從而使砼的抗壓強度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下，這相當(dāng)于配筋率至少都在4.6%以上，這遠遠超過抗震規(guī)范對鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。

　　6、結(jié)語

　　總的來說，建筑設(shè)計是建筑杭震設(shè)計的一個重要方面，建筑設(shè)計與建筑抗震設(shè)計有著密切關(guān)系。它對建筑抗震起著重要的基礎(chǔ)作用。一個優(yōu)良的建筑抗震設(shè)計，必須是在建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設(shè)計基礎(chǔ)上完成。為此，要充分重視建筑設(shè)計在建筑抗震設(shè)計中的重要性，在建筑抗震設(shè)計中更好地發(fā)揮建筑設(shè)計應(yīng)有的作用。

　　參考文獻:

　　[1] 包世華、方鄂華，《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》，清華大學(xué)出版社，2003。

　　[2] 趙西安，《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》，中國建筑出版社，2005。