高层建筑抗震构造研究

杨紫健

【摘要】地震是现今人类所面临的最严重自然灾害之一，抗震构造研究是建筑设计工作的重点。本文从确保结构的整体性、提高构件延性、减小扭转效应三个方面研究高层建筑的抗震构造。

【关键字】高层建筑 抗震构造

一、引言

地震是现今常见自然灾害，虽然大地震中破坏最严重的往往不是高层建筑，但是高层建筑遭地震破坏会比一般房屋造成更大的人员伤害和财产损失。1914年，日本的佐野利器教授首次提出“抗震结构”这一概念，主张通过提高建筑结构的刚度来抵抗地震。

二、高层建筑抗震构造设计原则

设计是先行，因此抵抗震害的工程对策，必须通过设计实现。既是依据不同建筑，不同场地，根据现行的国家抗震设计规范，从设计计算、结构选型和构造措施上实行抗震设防，确保“小震不坏、中震可修、大震不倒”。[1]

三、高层建筑抗震构造

3.1 确保结构的整体性

结构的完整是确保结构各部份在地震作用下互相协调工作的前提条件。要保证结构有足够的抗震可靠度，就应使结构在地震作用下保持整体性。现浇型钢混凝土结构和钢筋混凝土结构有完整性好、水平刚度大等优点，是较理想的抗震构件，这种结构能消除散落、滑移问题，增加结构整体性及楼板的刚度，且因为以剪切变形为主的砌体结构，层间的变形是可控的，所以可适当放宽对平面上墙体对齐要求。较强的屋盖及楼板水平刚度能使荷载传递具备良好条件，当平面上上下墙体不齐时，现浇屋盖和楼板可起到一定传递水平力的作用，楼、屋盖现浇同时也加强了对墙体的约束。在合适部位加设构造柱，并放置些构造钢筋，也可以加强结构整体性；另外，设置配筋圈梁能够限制散落，增加空间刚度，提高结构整体的稳定，进而提升房屋抗震性能。[2]

3.2提高构件延性

结构延性反映了结构的变形能力，是防止结构在大地震下倒塌的关键因素之一。为了增强结构在遭遇大地震作用时的抗倒塌能力，结构应具有较高的延性。对结构延性的要求具体体现在对构建延性的要求上。

钢筋混凝土的框架梁，在其受压区放置一定量的纵向钢筋可以降低梁截面受压区的高度，增强梁端的转动性能，进而提升梁的变形能力。实验证明，当梁截面受压区的相对高度在0.2到0.35时，它的曲率延性系数可达4左右。因此，应该限制梁端截面受压区的相对高度。此外，在梁端塑性铰区纵筋屈服的区域内设置加密的封闭式箍筋可以提高此范围的压区混凝土极限压应变，并能够防止在塑性铰区的压筋过早的压屈及最终发生剪切破坏，进而保证梁有比较大的延性。 而钢筋混凝土的钢架柱，实际震害显示，在反复的地震作用下，首先剥落的往往是柱端保护层。在此时的压力作用下，若没有充足的箍筋约束，纵筋会向外膨曲，则柱端破坏。箍筋对柱子核芯区的混凝土有较强的约束力，增加配箍率能够显著提升受压混凝土极限压应变，从而提升柱子的变形性能。因此，在框架柱的梁端应当设置加密的封闭式箍筋（间距小于纵筋直径的6至8倍）。对于短柱，由于其变形力差，需沿整个高度设置加密箍筋。此外，柱子中的配箍形式对变形能力同样有较大影响。相关实验研究表明，选取螺旋箍、复合螺旋箍或者连續复合螺旋箍能够明显提高柱子的极限变形水平。 提高柱的延性和降低轴比限值要求的另一种措施就是在柱内放置矩形核芯柱和应用混凝土与钢管双重组合柱。这类柱子的变形能力和受压承载力皆有较大提升，在大变形情况下芯柱能有效减少柱的压缩，保持柱子的外形及截面的承载力，特别对承受高压轴的短柱来说，更利于提升变形能力，延迟倒塌。对于钢筋混凝土剪力墙，在墙端部配置边缘构件（明柱、暗柱、翼柱），边缘构件其本身就是剪力墙的一部分，不可套用一般梁与柱连接的方法，因为它同剪力墙之间的连接就是相同构件间的连接。把墙体纵向的钢筋量大部分集中在两端边缘的构件那，并在边缘构件放置充足的横向箍筋来约束当中的混凝土，能够防止开始的斜裂缝贯穿墙体，能较大提升剪力墙的变形能力。剪力墙的水平分布筋是照整片墙肢实行配置以抵抗水平地震作用所产生的剪力的，可以把水平分布筋伸到墙肢端部，同时垂直的弯折15d。利用边缘构件的箍筋提升混凝土的受压能力，约束混凝土，使剪力墙在地震作用下具备良好的耗能及延性能力。[3]另外，剪力墙的塑性铰大多发生在底部，为了使剪力墙出现塑性铰之后仍具备较强的延性，在此范围要加强构造措施（如增加墙体厚度、增加抗剪箍筋、配置约束边缘构件等），提高抗剪切破坏能力。

上述构造措施主要是增强各类构件的抗剪能力，使其在强烈地震作用时，不致于在结构延性尚未发挥出来就出现非延性剪切破坏。进而确保达到规范所要求的“强剪弱弯”。3.3减小扭转效应 为了减小扭转效应，平面分布应力求均匀，刚度中心同建筑物中心应尽量接近。高宽比超过2的剪力墙应设计为弯曲破坏的延性剪力墙来避开脆性的剪切破坏，可以把长的剪力墙变成若干均匀的独立段。由于其受剪脆性容易被破坏，相邻墙段间应用楼板或弱连梁连接；短肢剪力墙结构应用于住宅，既有利于建筑的布置，又可以减轻其结构自重。但因为抗震性能比较差，8度设防区的层数较多时，应谨慎采用。可在短肢剪力墙中设置一般或筒体剪力墙，成为短肢剪力墙同一般剪力墙一起抵抗水平力的结构。在抗震设计时，筒体及一般剪力墙所承受的第一振型的底部倾覆力矩应该大于结构底部的地震倾覆力矩50％。在水平地震作用下，高层的短肢剪力墙主要体现为整体弯曲变形，底部及外围小墙肢承因为竖向荷载大，破坏严重，尤其是一字形的小墙肢破坏最严重。可通过增加建筑物周边的墙肢长度和连梁高度抵消扭转不规则，进而明显增大结构抗扭刚度。为了增加墙肢承载力和延性，需加强边缘构件的配筋，增大墙肢箍筋和纵筋的配筋率，严格把握轴压比。 四、小结

地震对建筑的损毁非同小可，高层建筑尤为重要，故本文从确保结构的整体性、提高构件延性、减小扭转效应等方面进行初步研究。另外，抗震工作还应实行“预防为主”的方针，合理的设计是关键，既要做到保持结构的整体性，又要兼顾抗震设计的合理性、科学性。总之，抗震工作任重道远，需要不懈的研究探索与实践进取，希望这些研究对高层建筑的有效抗震有所裨益。

参考文献

[1] 林协荣.高层住宅剪力墙结构设计浅析[J].建筑设计,2010,(15):333-334.

[2]李华云.略论高层建筑的抗震设计[J].中国住宅设施,

[3]吕西林,蒋欢军主编.结构地震作用和抗震概念设计[M].武汉:武汉理工大学