高层建筑结构设计抗震性问题要求

摘要：近年来，建筑业作为我国经济的支柱型产业，以一种势不可挡的形式蓬勃发展。为使在地震等自然灾害面前广大人民群众生命和财产安全得到保障,关注建筑结构的抗震问题,成为建筑设计的重点。尤其在高层建筑的快速发展时期，高层建筑抗震工作一直是建筑设计和施工的重点。本文就高层建筑结构设计的抗震原则入手，分析当前我国高层建筑结构中抗震性设计中的缺陷，并提出有效地抗震性措施。
关键词： 建筑业 支柱产业 自然灾害 抗震性能
Abstract: In this paper, the seiic principles of the structural design of high-rise buildings start to analyze the defects in the seiic design of high-rise building structure, and propose effective seiic measures.Key words: construction; pillar industries; natural disasters; seiic performance

一、高层建筑抗震结构设计原则

(一)结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能

首先，结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱”的原则。其次，对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。最后，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

(二)尽可能设置多道抗震防线

一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架—剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成，双肢或多肢剪力墙体系组成。当强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，其构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。同时，适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。最后，在设计中不合理的加强抗震设计以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。

(三)针对薄弱部位，采取措施提高其抗震能力

首先，构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。其次，要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。再次，要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。最后，在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。

二、我国抗震设计思路中的缺陷

随着我国建筑业的不断发展和完善，我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路，并符合现代抗震设计理念，但是仍有一些缺陷，需加以完善。
与世界先进抗震设计规范相比，我国的抗震规范认识还存在一定的差距。西方国家规范按地震作用降低系数来划分延性等级，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。这些抗震思路都是符合规律的，而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.81，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。延性要求与抗震等级的划分不一致，而制定了不同的抗震措施，这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。这种笼统的设防目标也不符合当今国际上的“多层次，多水准性态控制

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目标”思想，这种多性态目标思想提倡在建筑抗震设计中应灵活采用多重性态目标。应根据不同类别建筑的不同重要性，进行不同的设计，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标，此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。

三、高层建筑有效的抗震性设计

针对当前我国高层建筑中抗震设计中存在的问题，结合国内外相关专业及自身的工作经验出发，笔者总结出几点高层建筑有效的抗震性设计措施：

(一)梁柱的延伸设计问题

对于粱的延性设计，一方面，直腰筋或交叉斜筋，可以增强粱端的抗震性能，特别是对于剪跨比小的梁，延性和耗能均有大幅度的提高。用作抗震墙墙肢间的普通连梁和刚性连梁的延性和耗能对整个抗震墙结构的工作影响极大。另一方面，抗震墙的刚性连粱，其跨高比往往仅为1左右，若要使其工作在弹塑性阶段作耗能构件，则需要对它的组成和构造采取一定措施，以适应延性和耗能的要求。措施之一是在1／2梁高的中性面上留一水平通缝。在缝的上、下两侧各埋置钢板，钢板上开有椭圆形螺栓孔，用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作，使刚性连粱整体刚度不变，以保证其工作在弹性阶段。在强烈地震作用下，两钢板发生相对滑动，原来跨高比为1的刚性连梁将被分成两根跨高比为2的小粱协同工作。这样，不仅延性系数由原来的3提高为l0左右，而且由于钢板间的滑动摩擦，使其耗能能力也得到了一定改善。措施之二是在刚性连梁内埋设一根工字型钢，以提高其延性和耗能能力。对于柱的延性设计，如果塑性铰发生在柱上，但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力，才能保证大震时不倒。试验表明，采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力。

(二)“强剪弱弯”、 “强柱弱梁”

钢筋混凝土框架结构的延性设计上，“强剪弱弯，强柱弱梁，更强节点” 已经成为工程界的共识。“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

(三)屋顶建筑的抗震设计问题

在高层和超高层建筑设计中，屋顶建筑是一个重要的设计部分。据有关人士研究调查得出高层建筑抗震设计中屋顶建筑存在的主要问题，不仅过高，还过重。这样的屋顶建筑加大了变形，也加大了地震作用。对屋顶建筑自身和其下的建筑物的抗震都不利。屋顶建筑的重心与下部建筑的重心不在一条线上，且前者的抗侧力墙与其下楼层的抗侧力墙体上下不连续时，更会带来地震的扭转作用，对建筑物抗震更不利。为此，在屋顶建筑设计中，宜尽量降低其高度。采用高强轻质的建筑材料和刚度分布比较均匀、地震作用沿结构的传递比较通畅，使屋顶重心与其下部建筑物的重心尽可能一致；当屋顶建筑较高时，要使其具有较好的抗震定性，使屋顶建筑的地震作用及其变形较小，而且不发生扭转地震作用。

(四)钢管混凝土柱的抗震性设计

钢管混凝土是套箍混凝土的一种特殊形式，由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋， 其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，相当于配筋率至少都在4.6%。当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后，柱子的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。
地震具有随机性、不确定性和复杂性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前是很难做到的。而建筑物本身又是一个庞大复杂的系统，在遭受地震作用后其破坏机理和破坏过程十分复杂。但是，当抗震性问题贯穿一建筑结构设计的方方面面，突出建筑的抗震性能，不仅是建筑商利益的保证，更是对人们生命财产安全的负责。
三、结束语：地震灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一，自带来了人身和财产的巨大损失后，我国开始进一步加大对建筑抗震性的投入。建筑设计人员积极投身到设计事业中，努力设计出真正的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的建筑。当灾害再次来临时，我们的家园依旧可以屹然的挺立。从长远观点来看，如何从我国高层建筑抗震设计现状及国际高层抗震设计发展的趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，也成为地震区高层建筑发展的新方向。
参考文献：
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