超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)常見問題及解決措施探究

1、 超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)常見問題及解決措施探究 摘要：我國(guó)許多城市都位于地震多發(fā)區(qū)。地震災(zāi)害頻繁，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大損失。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，超高層建筑結(jié)構(gòu)越來越多。據(jù)調(diào)查，目前中國(guó)規(guī)劃設(shè)計(jì)中以及正在建成、已經(jīng)建成的超高層建筑高達(dá)數(shù)百座, 高度都在300m以上。因此，抗震設(shè)計(jì)的重要性日益突出，建筑行業(yè)中的相關(guān)人員都應(yīng)予以高度重視，并不斷革新抗震設(shè)計(jì)方法，減少地震帶來的損失。關(guān)鍵詞：超高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)；常見問題；解決措施導(dǎo)言：近年來，國(guó)內(nèi)超高層建筑的規(guī)模和數(shù)量不斷增加。由于建筑的特殊性，要充分加強(qiáng)抗震技術(shù)的綜合運(yùn)用，達(dá)到安全穩(wěn)定的目的。作為后期設(shè)

2、計(jì)的保證，抗震分析需要充分考慮抗震規(guī)范的實(shí)施，超高層建筑施工中的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范。值得注意的是，應(yīng)關(guān)注規(guī)范范圍以外超高層建筑抗震分析的特殊要求和經(jīng)驗(yàn)。文章對(duì)超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析, 旨在提高現(xiàn)代超高層建筑的合理性、安全性、科學(xué)性。1超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)一是結(jié)構(gòu)受力狀況。超高層建筑結(jié)構(gòu)的整體柔度和承載力受結(jié)構(gòu)受力平衡的影響。在強(qiáng)震環(huán)境下，超高層建筑的受力平衡對(duì)超高層建筑的穩(wěn)定性有著重要的影響。因此，在超高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的受力情況，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接點(diǎn)之間受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，確保在強(qiáng)震環(huán)境下臨時(shí)能源對(duì)超高層建筑的影響，保證其受力平衡，保證主體結(jié)構(gòu)的完整性。二是軸

3、向變形問題。超高層建筑的豎向載荷大, 能夠使得柱中引起較大的軸向變形, 進(jìn)而影響連續(xù)梁彎矩, 這一方面會(huì)造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，另一方面還會(huì)造成跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值的增大, 同時(shí)也對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響。因此, 我們要加強(qiáng)軸向變形的計(jì)算, 從而及時(shí)調(diào)整下料長(zhǎng)度, 調(diào)整結(jié)構(gòu)剪力和側(cè)移的影響。三是結(jié)構(gòu)延展性。結(jié)構(gòu)延展性是超高層建筑的一個(gè)重要設(shè)計(jì)指標(biāo), 與低層樓房相比高層樓房結(jié)構(gòu)更加柔軟, 這導(dǎo)致其在地震作用下的變形也更大, 為了避免地震情況下的倒塌, 使超高層建筑結(jié)構(gòu)在塑性變形后仍然具有一定的變形能力, 需要我們?cè)跇?gòu)造上采取一定的措施來提高建筑的延性。2超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)

4、計(jì)的總體要求平常所講的“三水準(zhǔn)、兩階段”的抗震設(shè)防要求，指的就是建筑設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)中的總體抗震設(shè)防要求。所謂的“三個(gè)水準(zhǔn)指”的就是: 第一水準(zhǔn)“小震不倒”: 指的是在遇到小地震之后，就算建筑物受到較小程度的損傷，不需要進(jìn)行任何的維修，仍然可以正常使用的情況，這種情況就是我們平常所說的“小震不倒”; 第二水準(zhǔn)“中震不修”: 指的是在該地區(qū)遇到的地震與我們?cè)摰貐^(qū)規(guī)定的抗震等級(jí)和防震強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，該建筑受到一定程度的破壞，但是不危機(jī)人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全，建筑設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備的安全，經(jīng)過一般的修理或者是不經(jīng)過任何的修理，仍然可以正常使用的情況，這就是我們平常所說的“中震不修”; 第三水準(zhǔn)“大震不倒”: 在該

5、地區(qū)遇到的地震高于本地區(qū)抗震最高等級(jí)時(shí)，所建造建筑不會(huì)因此而倒塌，受到嚴(yán)重?fù)p傷，而危及人民財(cái)產(chǎn)、生命安全，這就是通常所講的“大震不倒”的原則。但是針對(duì)于超高層的建筑來講，其基本特點(diǎn)是: 工程造價(jià)比較高，涉及的人員比較多，建筑的總面積比較大。對(duì)于這類建筑而言，在遇到地震之后產(chǎn)生的影響和破壞力是特別大的。所以，在超高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)前期，我們必須根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際的地理環(huán)境情況，綜合性的考慮設(shè)計(jì)師、專家和業(yè)主的建議，進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的定量、設(shè)計(jì)，還應(yīng)該把握好該結(jié)構(gòu)的安全性能和經(jīng)濟(jì)型平衡。相關(guān)資料顯示，超高層結(jié)構(gòu)的受力情況基本上是這樣的。結(jié)構(gòu)邊緣的豎向受力構(gòu)件承擔(dān)著建筑物的大部分傾覆力矩，其受力方式和形式為軸力。在使

6、用中，當(dāng)?shù)卣鹆叶刃∮谝?guī)定的抗震等級(jí)和該地區(qū)的地震烈度時(shí)，建筑物邊緣受力構(gòu)件將處于彎曲變形狀態(tài)；當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥谝?guī)定的抗震等級(jí)和該地區(qū)的抗震烈度時(shí)，建筑物的邊緣承重構(gòu)件將處于拉彎狀態(tài)。如果建筑物長(zhǎng)期處于這種拉彎狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的混凝土剛度和承載力將大大降低，導(dǎo)致建筑物的整體穩(wěn)定性和安全性大大降低，影響正常使用。對(duì)于上述結(jié)構(gòu)，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件進(jìn)行復(fù)查和檢查。3超高層建筑抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則需要從下述幾點(diǎn)進(jìn)行控制: (1) 整體對(duì)稱性、均勻性強(qiáng)、體型簡(jiǎn)單、剛度和質(zhì)量不會(huì)發(fā)生明顯的梯度改變, 整體結(jié)構(gòu)具有良好的扭轉(zhuǎn)效果、剛度良好, 避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)過程的不利影響; (2) 豎向結(jié)構(gòu)

7、需要具有良好的重力載荷分布, 避免不均勻?qū)е碌膬?nèi)部應(yīng)力集中及差異明顯的狀況, 整體建筑結(jié)構(gòu)可充分實(shí)現(xiàn)降低變形的目的。另外，在結(jié)構(gòu)分析中，超高層建筑需要有良好的荷載分布，可以通過簡(jiǎn)單的彈性控制手段進(jìn)行處理；在徐變系數(shù)中需要考慮非荷載作用下的應(yīng)力；整體結(jié)構(gòu)需要滿足實(shí)際的施工簡(jiǎn)圖要求，在重力荷載分布分析中，相應(yīng)的三維軟件和模型建立需要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，可以用兩個(gè)以上的力學(xué)模型來處理，為了保證結(jié)構(gòu)剛度和重力荷載的實(shí)際可靠度不受影響，需要進(jìn)行仿真處理。3.2 層間位移限值針對(duì)高度較大的建筑結(jié)構(gòu), 需要考慮風(fēng)力、地震聯(lián)合作用的影響, 避免層間位移引起的事故問題。結(jié)構(gòu)位移限值一般較常規(guī)建筑體偏高。國(guó)外針對(duì)

8、層間位移進(jìn)行的設(shè)計(jì)值相對(duì)余量較低, 分析的影響因素較為簡(jiǎn)單。國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)層間位移限值的考慮較多, 需要結(jié)合限值大小、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料及裝修等進(jìn)行分析。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的極限值比較寬松。因此，從層間位移的角度來看，超高層建筑的剛度設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠的裕度，以避免結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的高位移，而對(duì)整體承重結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)會(huì)引起后續(xù)的安全隱患。3.3抗震設(shè)計(jì)要求分析（1） 地震作用影響分析。在超高層建筑中，地震作用的原理分析：當(dāng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)正交布置時(shí)，可考慮結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的水平地震作用；當(dāng)存在斜交抗側(cè)力結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)分別考慮各斜向的水平地震作用。在質(zhì)量不對(duì)稱、剛度不對(duì)稱的狀況下, 需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分析,

9、一般需充分加強(qiáng)對(duì)地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的分析。此外, 9度設(shè)防條件下, 需針對(duì)豎向地震、水平地震二者的融合效應(yīng)進(jìn)行全面分析。（2）地震作用的計(jì)算分析。超高層建筑中, 地震計(jì)算方法需要注重下述幾點(diǎn):一般超高層建筑需要結(jié)合反應(yīng)譜法、彈性動(dòng)力時(shí)程方法計(jì)算。針對(duì)特殊工程項(xiàng)目, 如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量或剛度分布均勻性差的狀況, 需要借助補(bǔ)充彈塑性動(dòng)力法分析, 保證結(jié)果的可靠程度。4超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的常見問題4.1 建筑材料選用不當(dāng)根據(jù)板塊構(gòu)造學(xué)說, 我國(guó)處于環(huán)太平洋火山地震帶和地中海喜馬拉雅火山地震帶之間, 地震發(fā)生頻率較高, 加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要保障。當(dāng)前, 我國(guó)超高層建筑所選用的

10、建筑材料一般多為鋼筋混凝土或者砂石結(jié)合的材料, 這些建筑材料在剛度和穩(wěn)定性方面有一定的局限性。當(dāng)強(qiáng)震來臨時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)很容易因突然的能量而產(chǎn)生彎曲變形，甚至結(jié)構(gòu)整體位移。這些傳統(tǒng)建筑材料在抗震性能上也存在一定的局限性。4.2抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度不夠在超高層建筑結(jié)構(gòu)中，影響結(jié)構(gòu)抗震性能的因素很多，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、結(jié)構(gòu)與連接點(diǎn)的受力平衡等。由于超高層建筑本身具有復(fù)雜的功能價(jià)值，需要做好超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。首先要對(duì)超高層建筑的抗震性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。目前很多超高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震性設(shè)計(jì)方面還存在一定的弊端, 對(duì)抗震參數(shù)、抗震結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的計(jì)算還不夠精準(zhǔn), 其精密性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求, 這使得超高層建筑

11、結(jié)構(gòu)在抗震方面埋下了安全隱患。一些超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)忽略了一些不確定性因素, 這些不確定性因素可能存在不可估量的破壞力, 使得抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案失去真正的作用。4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超高對(duì)超高層的高度規(guī)范和抗震規(guī)范中都對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的總高度有著嚴(yán)格的限制, 當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)新規(guī)范中, 除原有的a級(jí)限制高度, 還新增b級(jí)限制高度, 針對(duì)處理措施以及設(shè)計(jì)方法都進(jìn)行了大的改變。在實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中, 如果在結(jié)構(gòu)型式變更過程中忽略了這一問題，很容易陷入施工圖審查的泥潭。4.4埋端設(shè)置不合理一般超高層建筑通常有地下室和人防兩層或兩層以下，通常埋端設(shè)置在地下室頂部、人防屋頂?shù)任恢茫@種設(shè)計(jì)方法使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)

12、計(jì)工程師在設(shè)置埋端時(shí)容易忽略某些問題，存在著忽視帶埋端樓板設(shè)計(jì)、地震縫設(shè)置與埋端位置不一致、埋端上下層抗震等級(jí)不一致等問題, 這些問題的忽視很容易導(dǎo)致建筑的后期設(shè)計(jì)工作可能要進(jìn)行大量的修改, 也為后期建筑工程埋下一定的安全隱患。5超高層建筑超限設(shè)計(jì)方法超高層建筑超限設(shè)計(jì)方法主要包含以下幾種: (1) 采用明確清晰的抗側(cè)力以及豎向結(jié)構(gòu)體系, 滿足多道設(shè)防和剛度的抗震要求; (2) 要制定對(duì)稱布置和立體變化均勻、整體性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)方案, 限制結(jié)構(gòu)規(guī)則性, 控制樓層突變程度, 避免扭轉(zhuǎn)過大, 減少薄弱層; (3) 提高抗震標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 嚴(yán)格遵照施工要求; (4) 明確設(shè)計(jì)要求、構(gòu)件性能水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)性能目標(biāo), 采用彈性分析方法, 確認(rèn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié); (5) 協(xié)調(diào)多道防線之間的剛度比例, 保證各個(gè)體系的作用; (6) 局部加強(qiáng), 針對(duì)比較薄弱的部分, 優(yōu)先使用高性能的建筑材料, 提高它的承載力。結(jié)束語綜上所述，超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和社會(huì)的和諧穩(wěn)定，必須引起有關(guān)人員的高度重視。本文對(duì)超高層建筑的性能化設(shè)計(jì)要求、整體剛度要求和抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討和分析，以供參考。參考文獻(xiàn)：1趙楠.超高